喷气推进系统的常用分类和简介

喷气推进是一种依靠喷射物质的动量传递给物体上的反作用力实现物体运动的方法，火箭推进是一类通过喷射自身携带的物质产生推力的喷气推进，这些物质称为工质或推进剂，而另一种通管推进则是利用周围介质作为推进剂。

火箭推进系统可以按照多种方式分类，如推力大小、结构形式、产生推力方法等，比较常见的是按能源类型分类，火箭推进常用的能源来自化学燃烧，也可以由辐射和核反应提供。辐射能一般来自太阳，理论上还可以通过地面发射的微波和激光束来传递能量；核能来源于原子核内的质能转换，可以通过裂变或聚变产生。

火箭推进系统的有效能量输入是热能或电能，有效地输出推力来自喷射物质的动能以及推进剂的压力，主要将输入的能量转换为排出气体的动能，喷出的物质可以是固态的，也可以是液态或气态的，通常是两相或多相混合物，此外，喷出的物质还可能是等离子体，这是一种导电的气体。

化学燃料火箭

化学推进剂通常包含一种燃料和一种氧化剂，在高压燃烧室燃烧、产生的能量把反应气体产物加热到很高的温度（2500~4100℃），这些气体随后在超声速喷管中膨胀并加速到很高的速度（1800~4300m/s）。按照推进剂的物态，化学火箭推进装置可以分为多种类型。

液体火箭发动机使用液体推进剂，推进剂在压力作用下从贮箱流到推力室，在推力室内，推进剂经过反应变成高温燃气，随后通过一个超声速喷管，再被加速后以极高的速度排出，从而把动量施加在飞行器上。液体火箭推进系统需要各种精密的阀门、复杂的输送装置（包括推进剂泵、涡轮、燃气发生器等），都具有推进剂增压装置以及相对比较复杂的燃烧室。

固体推进剂火箭发动机中，用于燃烧的推进剂装填在燃烧室或发动机壳体内，称为药柱，包含完全燃烧所需的所有化学成分。一旦点燃，通常以预定的速率在所有暴露的药柱内表面上平稳燃烧，直到推进剂全部耗光。

气体推进剂火箭发动机使用自身携带的高压气体（如空气、氮气、氦气）作为工质，储存气体需要相对较重的气瓶，曾用于很多航天器的低推力机动和姿态控制。

混合推进剂火箭推进系统同时使用液体与固体推进剂，如将液体氧化剂喷入装有含碳固体燃料药柱的燃烧室，发生的化学反应将产生高温燃气，有很多此类型发动机已试验成功。

电推进性能较好且使用较少的推进剂就能产生推力，但现有电源的限制，其只能提供相对较低的推力。因为自身需要笨重且低效的电源，不适用于地面发射和大气飞行。电推进的能量源（核能、太阳辐射或电池）不包含在所使用的推进剂中，推力很小（0.005~1N）仅有轨道保持级，需要长时间施加（数月甚至数年）才能使航天器得到较高的速度增量。有三种基本类型的电推进火箭。

电热火箭与液体火箭最为相似，推进剂用电加热，产生的高温气体通过超声速喷管做热力学膨胀，推力一般为0.01~0.5N，推进剂使用氨、氢、氮或肼类化合物。

另外两种电推进是离子（静电）推力器、电磁等离子体推力器，不存在气体热力学膨胀现象，只能在真空中工作。

离子推力器中，工质（一般为氙气）被夺去电子而电离，重离子在静电场中被加速到很高的速度（2000~60000m/s），之后利用发射的电子把离子中和，防止电荷积累。

电磁推力器中，等离子体（离子、电子、中性粒子的高能气体混合物）通过电流和垂直磁场之间的相互作用加速，随后以很高的速度喷出（1000~75000m/s），如霍尔效应推力器。


目前，核火箭一般指核热火箭，基本上是一种液体火箭发动机，只不过动力输入来自核反应堆，一台样机曾在上世纪60年代被制造出来，使用液态氢为推进剂，比冲848s、功率4100兆瓦，后来因为安全原因被终止，美国能源部计划在2028年之前，建立核热推进相关的技术基础和能力、为核热推进系统提供方案。

还有一些其他类型的火箭推进方案。

太阳能热火箭发动机：用一个大直径光学设备把太阳光集中到一个光学腔内，通过换热器把工质加热到2500℃，高温气体通过一个或多个喷管排出，性能比化学火箭高2~3倍，推力较小只有1~10N，为了使大型光学器件不受引力的影响，一般布置在大气层外。

太阳帆推进：反射太阳光子推进。

辐射传送：把辐射能量通过激光或微波从地面传送到航天器推进。

通管喷气推进也叫做吸气式发动机，利用空气中的氧气与飞行器自带的燃料进行燃烧，如涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、冲压发动机和脉冲发动机等，这个表比较了典型化学火箭发动机和涡轮喷气发动机的若干性能指标。

由于涡轮喷气发动机的高比冲，将直接带来远射程，因此在飞行高度较低时，吸气发动机在飞行器射程上比化学火箭发动机更有优势，但是化学火箭发动机的高推重比、推力不受高度影响等，使其能够在太空中飞行。

其中的冲压发动机是一种纯通管发动机，只有在飞行速度大于2马赫时才能工作，没有压气机和涡轮，空气纯粹靠气体动力学原理压缩，通过增加流经其内的亚声速压缩气体的动量产生推力。

使用烃类燃料的冲压发动机速度上限为5马赫，使用氢燃料的冲压发动机速度上限能提高到16马赫。所有的冲压发动机必须依靠火箭助推器或机载发射加速到超声速状态和设计飞行高度才能工作，常用于导弹。著名的SR-71黑鸟侦察机用的就是涡轮喷气/冲压变循环发动机。一种概念飞行器将冲压发动机和一、二级火箭助推器结合，理论速度上限为25马赫。

通管火箭发动机也称为空气补燃火箭发动机，结合了火箭发动机和冲压发动机的原理，性能要高于化学火箭发动机，如高比冲、高静态推力、高推重比，但其只能在大气层内工作，而且必须先被加速到工作速度，更像是一种冲压发动机，只不过用的是火箭发动机的组件。

火箭发动机与冲压发动机的原理可结合起来，使用两种推进系统按先后顺序工作，串联共用一个燃烧室，即一体化火箭冲压发动机。火箭发动机先运行，达到工作速度后，抛掉喷管部分、连通冲压发动机进气道与燃烧室，随后启动冲压发动机，比较容易实现的是固体燃料冲压发动机，常用于导弹。