想象固液火箭_風聞

從火箭發明開始，固體燃料火箭和液體燃料火箭之爭就一直存在。

固體火箭把燃料和氧化劑均勻混合後澆注在完整的固體藥柱裏，實際上就是緩燃炸藥。固體火箭推力大，藥柱均勻、緻密對穩定工作至關重要，裂縫或者空隙有可能造成熄火。更大的問題是推力難以調節，現在解決了雙推力的問題，但多次點火依然是技術難題。

液體火箭把燃料和氧化劑分別儲存，使用時注入燃燒室，混合燃燒，燃燒固定在燃燒室內進行，推力可調，也容易多次點火。但液體火箭不僅機械系統複雜、沉重，也有一些獨有的技術難題。比如説，平穩、可靠的點火就是不小的挑戰。用電火花點火容易受局部混合不均勻的影響，火花延續時間也很短暫，可能造成不穩定點火。“飛毛腿”導彈在點火時，向燃燒室緩緩注入遇空氣自燃的二甲基肼，通過漸次增加流量和維持足夠的注入時間，可實現平穩、可靠的點火。

比衝是推力與燃料消耗速率之比，單位為秒。比衝越高，單位燃料產生的推力越大。固體火箭的比衝較低，液體火箭的比衝較高。但在實際上，液體火箭需要儲罐、管路、泵、閥和控制機構，系統重量較大，發射準備時間較長，同樣載荷和射程條件下，固體火箭常常比液體火箭還輕小。不過液體火箭的重量劣勢隨着火箭增大而縮小。佔系統重量最大的儲罐的重量與表面積成正比，但容量與體積成正比。隨着儲罐尺寸的增加，容量成三次方關係增加，而表面積只有二次方關係增加，所以火箭越大，重量劣勢越小。加上比衝高，推力可調節，可多次點火，液體火箭在大型運載火箭中佔絕對優勢。固體火箭則在中小型戰術導彈或者不便發射前加註的潛射、空射戰略導彈上使用更多。

但是細摳起來，固體燃料的能量高，液體氧化劑的含氧量高，要是能把兩者結合起來，可能魚與熊掌兼得？但魚與熊掌生活在平行宇宙，要兼得可是不容易。多少年來，人們不懈嘗試，但結果很慘淡。台灣基於NASA研究推出的固液火箭的比衝甚至不如固體火箭。

固液火箭的一個問題是如何將液體氧化劑有效地送到固體燃料的燃燒面上。固體火箭的燃燒面有兩種方式：端面燃燒和內壁燃燒。端面燃燒就是向火柴燃燒一樣，藥柱填滿彈體-燃燒室，從尾端開始燃燒，燃燒面隨着燃料的消耗而逐漸退縮，直到耗盡。端面燃燒的藥柱填充率高，燃燒面積一致，產生的推力均勻，但萬一藥柱質量不均勻，燃燒會出現斷續，甚至熄火。內壁燃燒的藥柱是空心的厚壁圓筒，圓筒內壁就是燃燒面。這樣藥柱的填充率低一些，但燃燒面大，不大會出現因為藥柱質量不好而斷續燃燒甚至熄火的問題。問題是燃燒面積隨着藥柱的燃耗而自然擴大，產生的燃氣越來越多，推力越來越大，不利於保持推力均勻。

內壁燃燒是固液火箭的自然選擇。液體氧化劑流經內壁，與壁面上的固體燃料發生燃燒。但隨着固體燃料的消耗，內壁孔徑自然增加，壁面增加需要增加氧化劑流量才能保持適當的氧氣-燃料比。另一個問題是氧份在向尾部流動中不斷被消耗，或者説氧氣-燃料比隨流動而沿軸向不斷降低，影響燃燒的均勻和效率，不僅需要特殊手段補償，也導致大量氧氣隨燃氣排放，造成浪費。

另一個辦法是回到端面燃燒，但在藥柱內像蜂窩煤一樣鑽上多個長孔，液體氧化劑從孔內流到端面，與端面的固體燃料產生燃燒。這避免了內壁燃燒的很多問題，但確保氧氣在端面流出後“回過頭來”與端面的固體燃料可靠接觸和燃燒是一個難題。

還有一個辦法是將兩者結合，端面不再是平直的，而是在每一個氧化劑孔道的出口形成一個鐘形腔，氧氣流出擴散時，自然與鐘形的腔面上的固體燃料接觸，形成可靠燃燒，鐘形面才是燃燒面。鐘形面在燃燒中平行向前移動，逐漸燃耗整個藥柱。這對鐘形面的形成和移動的控制要求非常高。

但是，換一個思路，用兩級燃燒，或許這些問題迎刃而解。

首先用簡單的固體火箭部份形成高温燃氣，但固體火箭部份富含燃料，而氧化劑較少，因此在固體火箭部份是貧氧燃燒，燃氣裏依然含有大量未燃燒的燃料。高温貧氧燃氣注入燃燒室後，與液體氧化劑混合，進一步燃燒，產生推力。固體火箭的技術已經成熟，貧氧固體推進劑只是配方的問題，並無不可克服的技術困難，在固定的燃燒室裏與液體氧化劑混合燃燒則容易控制燃燒條件，也不再有傳統固液火箭的液體氧化劑輸送到燃燒面的難題。

更大的好處是，液體氧化劑可以很容易地調節流量。換句話説，固定的貧氧燃氣流量與可變的液體氧化劑流量相結合，在稠密大氣層內時，可以節約使用，甚至不用，直接用空氣燃燒；隨着高度的不斷增加，逐步增加液體氧化劑的流量，直至完全取代。這可以大量節約所需氧化劑的重量，或者把本來用於氧化劑的重量轉用於更多的燃料，增加射程。

這也可以是火箭衝壓發動機的補充。“流星”中程空空導彈就是用固體火箭形成高温貧氧燃氣，然後進入衝壓發動機，與吸入的空氣混合燃燒，產生推力。問題是衝壓發動機對進氣條件比較苛刻，而空空導彈的高度、迎角變化很大，難以保證可靠工作。或許需要可調進氣道對不同大氣條件進行均衡化補償，導致重量和推力損失。用液體氧化劑補充，維持穩定工作條件，就可以用簡單、高效的固定進氣道解決衝壓發動機的工作難題，並在極大高度範圍內可靠工作。這實際上是固液火箭-衝壓發動機了。

固液火箭可能成為下一代導彈動力，DARPA正在研製的Opfires據説就採用固液火箭發動機。要是在大氣層內用固液火箭-衝壓的第一級加速，大氣層外用固液火箭的第二級進一步加速，這就好玩了。