火箭发动机，人类玩火的极致（一）——德国A系列火箭

在人类制造的所有机器中，运载火箭可能是运转起来最震撼人心的。火箭发动机被点燃之后，瞬间喷发出炽热的火焰，发出巨大的雷鸣般的响声，让方圆数千米之内的大地都为之颤动。事实上，在人类学会如何用火之后，火箭发动机的发明大概是我们将火玩到极致了。

利用火箭探索宇宙，在很久以前就是人类的梦想。明朝的官员万户将自己捆绑在座椅上，利用椅后加装47枚火箭升上天空，但不幸殒命，算是中国火箭载人第一人了。不过要论现代意义上的真正的火箭，还得追溯到二战时期的德国。

一战结束后，德国的武器受到限制，德国纳粹政府上台后，想躲开《凡尔赛条约》的限制，发明一种可以进行远程打击的武器，此时，火箭就进入纳粹的视线。1933年，年仅22岁的韦纳•冯•布劳恩（Wernher von Braun）带领他的团队参加了德国陆军火箭研究项目，这一项目是由陆军军官沃尔特•多恩伯格（Walter Dornberger）负责的，火箭试验场设在柏林附近的库莫斯多夫，德国的A系类火箭研究从此诞生。

韦纳•冯•布劳恩（Wernher von Braun）

“挤压循环”在A系列火箭中的测试应用

冯•布劳恩拿出的第一款火箭代号A-1，该火箭长1.4m，直径0.3m，起飞重量150kg。它采用具有300kg推力的液体发动机，工作时间仅有16秒，采用液氧和浓度为75%的酒精作为推进剂，虽然冯•布劳恩考虑过采用其他燃料，像煤油等，但是考虑到获取酒精相对容易一些，因此就成了A系列火箭的标准推进剂配方。

虽然A-1火箭成功的完成了试飞和首飞，但是因为其基本设计并不可靠，很快就被迫放弃了，研制工作转移到A-2火箭上。A-2火箭和A-1火箭在外形上没有多大区别，两者发动机燃烧室完全相同，但A-2将起飞重量减少到了107kg。总体布局上，A-2有一个重大改进，就是引入“挤压循环”。

什么是“挤压循环”？相信很多人小时候都玩过“水火箭”，在装有一半水的瓶子里注入空气，然后打开瓶盖，水流喷出，瓶子被送上天空，这过程也就是牛顿第三基本运动定律中“作用力与反作用力”的诠释。但是，随着瓶中的压力减小，无法使水流持续的喷出，如果要想水流持续喷出，就得向瓶中注入压力，这就引入了“挤压循环”的概念。

在现实中的火箭上，液体推进剂是放在高压贮存箱内，通过管道将推进剂（液氧和酒精）引入火箭底部的发动机燃烧室进行燃烧，然后通过喷嘴喷射出高温高压燃气产生推力。但是这里出现的问题是，要想产生更大的推力，就得将更多的推进剂送入燃烧室，但是燃烧室产生的高压会阻碍推进剂的注入。

这个过程就像“水往低处流”一样，推进剂也是从高压流向低压，燃烧室压力高，那推进剂贮箱得压力就得更高。

冯•布劳恩对V-2的“挤压循环”的设计就是在火箭上安装了一个加压的氮气瓶，在火箭发动机工作的过程中，向推进剂贮箱注入氮气，挤压贮箱里面的液氧和酒精，形成增压，以此克服燃烧室产生的反作用压力，将推进剂持续有效的注入燃烧室。

挤压循环概念图 将氮气注入燃料贮箱和液氧贮箱，为其增压，推进剂被压入下部的燃烧室

为了提高飞行的稳定性，A-2中的控制飞行的陀螺仪从弹体的头部移到了中部，位于燃料贮箱与氧化剂贮箱之间（因为A1随着推进剂的消耗，头重脚轻的问题愈发严重）。如何稳定飞行？以后来设计成功的V2火箭为例，其仪器舱内的模拟式电子计算机，可以获取陀螺仪传来的纵向和横向误差，并以此为依据调整火箭尾部燃气和空气舵，改正飞行弹道。

推进剂的燃烧会产生高温，过高的温度会给火箭发动机带来损害，所以为了给发动机降温，冯•布劳恩将A2的火箭发动机埋入弹体下方的燃料箱内（A-1发动机也是这样设计的），用酒精的蒸发来带走发动机工作时候产生的高温，这一设计被后来的A-3和A-5所采用。

A-2火箭透视图  棕色为燃料贮箱，火箭发动机的燃烧室和喷嘴就被埋入在其内部，A-1火箭发动机也是这样设计  蓝色液氧贮箱

在A-2的基础上，冯•布劳恩用了两年的时间设计了更大的A-3火箭，其起飞重量800kg，发动机推力提高到1.5吨，可以携带更多的推进剂，发动机工作时间延长到45秒，A-3的射程能够达到18千米，尽管这一距离还是不及当时的大口径野战火炮。

A-3在总体布局上还引入一个创新，将用来给推进剂贮箱增压的氮气瓶埋入液氧贮箱当中，也就是液氧贮箱将氮气瓶包裹在里面。这样做是因为液氮的沸点低于液氧，因此被液氧包裹的液氮瓶可以保持在很低的温度下，但其中的氮气仍然保持在气态。这样的设计可以用较小的氮气瓶容纳更多的氮气，供工作时间更长的发动机使用，也节省了火箭内部空间。

A-3火箭透视图

A-3火箭所用的推进和控制系统原本是作为A-4火箭的测试缩小版模型，但是A-3的性能表现不理想，所以冯•布劳恩又对A-3进行了重新设计，即A-5。

A-5模型取代前面不成功的A-3，为A-4的空气动力学和技术方面的测试提供了重要参考。A-5的火箭发动机与A-3相同，但具有新的控制系统，并且形状上类似于A-4。之后发展的高性能A-4就是在A-5的基础上重新设计了火箭发动机，使A-4成为真正意义上的火箭。

A-5火箭透视图 发动机与A-3相同，发动机埋入燃料箱，但外形被重新设计

如果将A-1单独排除在外，冯•布劳恩后来设计的A系列火箭中，A-2、A-3、A-5、A-6、A-7实际上都可归为一类，因为它们内部基本采用相同的发动机设计，将发动机埋入燃料箱进行降温，采用氮气挤压贮箱里面的推进剂。实际上，A-6，A-7是基于A-5的其他测试版本。

“泵压循环”概念的提出

而在A系列火箭中，A-4、A-4b、A-8、A-9、A-10则可以归为另一类，他们采用的都是较为复杂的泵压循环和发动机再生冷却方式（后面将对这种方式进行解释）。

冯•布劳恩研制的A系列火箭 最著名的就是A-4火箭，也就是后来的V2导弹

其实，就目的来说，泵压循环和挤压循环想要实现的效果是相同的，就是在单位时间内让更多的氧化剂和燃料被压入燃烧室燃烧。但是，如何增大推进剂的流量就是一个非常复杂的问题。在前面所说的挤压循环下，用氮气瓶中的氮气对推进剂贮箱进行增压，这是一个简单的解决办法，早期火箭就是采用这样的方式。

不过，挤压循环也存在许多缺陷，随着增压的气体注入推进剂贮箱，增压的效果随着时间的推移越来越差。如果要延长发动机的工作时间就必须携带更多的推进剂，更多的推进剂意味着需要更多的增压气体，结果储存增加气体的气瓶的体积也在增大，火箭就得承担更大的不必要的重量。就这样替代挤压循环，泵压循环成为科学家的另一种选择。

简单点说，泵压循环就是利用涡轮泵将贮箱内的推进剂抽出来注入燃烧室。这个想法的提出可以追溯到一位俄国教师康斯坦丁•爱德华多维奇•齐奥尔科夫斯（Tsiolkovski，Konstantin Eduardovich），对火箭研究抱有很大兴趣的齐奥尔科夫斯基很早就认识到，要充分的发挥液体火箭的推进效率，就必须提高液体推进剂的供给压力，他前瞻性的提出利用泵压系统对推进剂进行加压，不过由于在他那个时代，技术概念难以实现。

泵压循环概念图  上部的涡轮被气体（如：蒸汽或燃气）推动，带动两边的泵转动，使得推进剂泵出  从概念图也可以看出燃料通过在下部的发动机喷口周壁上循环，带走热量，给其降温

如果说齐奥尔科夫斯基是一位理论家，那美国的罗伯特•戈达德（Robert Hutchings Goddard）就是一位发明家。因为齐奥尔科夫斯基没有给出泵压循环中的泵的动力来源，而戈达德在此事上面下足了功夫。

罗伯特•戈达德（Robert Hutchings Goddard）

20世纪初的时候，汽油机已经大规模用于汽车，戈达德选择微型汽油机来作为涡轮泵的动力源，并设计了多种形式的泵机，结果都不理想。戈达德甚至非常理想化的直接想将涡轮直接放置在发动机喷管低端，借用燃气冲击驱动泵机，但是涡轮不可能长时间承受高温燃气。

不过，戈达德的提出的燃气发生器循环，为涡轮泵的动力设计提供了有意义的思路。其实就是利用火箭本身就携带的推进剂在燃气发生器中燃烧，产生动力带动涡轮泵，推进剂被涡轮泵增压注入火箭发动机的燃烧室。说白了，就是在火箭上在设置一个小型发动机，用来驱动泵机。

戈达德虽然在技术上有了很好的点子，总体发展方向上也是正确的，不但已经制造出许多关键部件，而且体现了很高的设计和工艺水平，但是由于当时获得的经费实在非常有限，也没有像德国那样依托分工明确的庞大团队，使后者在短短几年内就连续突破了大型火箭的关键技术。

从当时已经具备的技术条件看，驱动涡轮最好的方式还是采用燃气发生器，但要使其具有足够的功率，又能工作在足够低的温度环境中，就需要好好的动一番脑筋。在这方面，德国人想到了一种特殊的燃料，那就是双氧水。

德国的V2  具有现代意义的火箭

最早采用双氧水驱动泵压发动机的是划时代的德国V2火箭，其研发代号就是A-4。虽然在V2之前美国和苏联都曾研制出小推力液体火箭，但V2才真正走上了现代液体火箭发动机的道路，因为V2采用的泵压循环火箭发动机，可以产生更大的推力，携带更多的推进剂，这样发动机工作时间长，射程更远。

V-2导弹剖面图

在V2中，就是采用双氧水快速分解产生的能量驱动涡轮泵，由于并没有发生燃烧反应，因此只能叫做气体发生器，还不能叫做燃气发生器，但原理基本相同。为了使双氧水快速分解，V2设置了另外两个贮箱，一个存放高锰酸钾催化剂溶液，另一个存放80%浓度的双氧水。双氧水在气体发生器中与高锰酸钾催化剂溶液相遇，快速剧烈分解反应，放热热量，产生的氧气和蒸汽带动涡轮转动，将火箭推进剂泵出。

V2火箭发动机涡轮泵切开后 左侧切开的部分是液氧泵，中间圆盘状的是提供动力的涡轮，右侧未切开的是燃料泵

V2的推进剂标准加注量是酒精8360磅，液氧10800磅。涡轮泵全速工作时实际只够发动机工作60多秒，正是这一分多钟的上升段，就足以是V-2携带近一吨重的弹头，打出300千米以上的射程。

火箭发动机需要放出热量做功，但是又要避免发动机部件过热，因此，V2的另一个创新是对喷管和气体发生器采用了再生冷却方式。

保证受热零件正常工作或提高它们的性能均有赖于冷却技术，而对流冷却就是其中的一种。对流冷却说白了，就是让冷却剂（比如说：水）流过受热零部件表面，将零部件的热量带走。

对流冷却原理被引入V2火箭发动机冷却中，冯•布劳恩设计的V2火箭发动机燃烧室非常特殊，其内壁和外壁间有一层薄薄的空心夹层，低温的燃料（酒精）作为冷却介质经管道流入夹层，带走燃烧室壁的热量，还燃烧室四周游走一圈后，最后再被注入燃烧室，这样的过程也就是再生冷却方式的具体过程。同时，V2也通过调整燃料和氧化剂的混合比例，通过增大燃料的相对供应量，避免燃烧更为剧烈的富氧燃烧，从而避免温度过高。

V2火箭发动机切开  燃烧室和喷嘴的内外壁之间有夹层，燃料流过夹层带走热量

结束语

V-2成功研制后，1944年9月8日，希特勒下令用V-2导弹打击海峡对岸的英国，仅仅五分钟，V-2导弹就落入伦敦地界，从相关统计数字来看，共有1115枚V2导弹落在英国本土，并造成数千人丧生，但是纳粹德国也没能借此扭转战局。

二战一结束，美国和苏联立刻在德国搜刮火箭设计人才与V2的火箭整机、零部件，以冯•布劳恩为首的许多德国工程师都曾在美国和苏联长期工作，对两国早期的导弹和航天事业产生了很深的影响。