初探火箭發(fā)動機

初探火箭發(fā)動機名目一、簡介………………1二、火箭發(fā)動機的工作原理………………1三、火箭發(fā)動機的整體性能………………5四、火箭發(fā)動機的冷卻………………6五、火箭發(fā)動機的機械問題………………7六、火箭發(fā)動機的聲學(xué)問題………………7七、火箭發(fā)動機的化學(xué)問題………………9八、火箭發(fā)動機的分類………………9一、簡介定義：由飛行器自帶推動劑，不依靠外界空氣供給氧化劑的噴氣發(fā)動機。定義：由飛行器自帶推動劑，不依靠外界空氣供給氧化劑的噴氣發(fā)動機?！餐苿觿匙兂筛咚偕淞鳎捎谂ｎD第三定律而產(chǎn)生推力?；鸺l(fā)動機可用于航天燒形式的發(fā)動機。二、火箭發(fā)動機工作原理〔由氧化劑和燃料組成〕在燃燒室中高壓〔10-200bar〕燃燒產(chǎn)生尾氣。向燃燒室供入推動劑液體火箭通過泵將氧化劑和燃料分別泵入燃燒室，兩種推動劑成分在燃燒劑，在經(jīng)受放熱化學(xué)反響后產(chǎn)生高溫氣體用于火箭推動。燃燒室用推動劑不同，尺寸不同。用L*描述燃燒室尺寸這里：Vc是燃燒室容量At是噴口面積L*的范圍通常為25-60〔0.6-1.5m〕味著熱量在燃燒室壁的傳導(dǎo)速度格外快。噴嘴比的漸縮漸闊噴嘴中，燃燒室產(chǎn)生的高溫氣體通過一個開孔〔噴口〕排出。假設(shè)給噴嘴供給足夠高的壓力〔高于圍壓的 2.5至3倍，就會形成噴阻流和超音速射流，大局部熱能轉(zhuǎn)化為動能，由此增加排氣的速度。在海平面，發(fā)動機排氣速度到達音速的十倍并不少見。壁的壓力。排出氣體膨脹〔絕熱〕時對內(nèi)壁的壓力是火箭朝向一個方向運動，而尾氣向相反的方向。推動劑效率要使發(fā)動機有效利用推動劑，需要用肯定質(zhì)量的推動劑產(chǎn)生最大可能壓力作用于燃燒室和噴嘴，此外以下方法也能提高推動劑效率：將推動劑加熱到盡可能高的溫度或使用核能〕使用低比重氣體〔盡可能含氫〕使用小分子推動劑〔或能分解成小分子的推動劑〕由于全部的措施都是出于減輕推動劑質(zhì)量的考慮； 被加速的推動劑量成比例關(guān)系；也由于牛頓第三定律，作用于發(fā)動機的壓力也作用于推動劑。素影響。綜合起來，排氣速度就是檢驗發(fā)動機效率的最好證明。由于空氣動力的緣由，廢氣在噴口產(chǎn)生阻流效應(yīng)。音速隨溫度平方根增長，因此使用高溫尾氣能提高發(fā)動機性能。在室溫下，空氣中的音速為 而在火箭的高溫氣體中可達1700m/s以上，火箭的大局部性能都是由于高溫。加之火箭推動劑通常選用小分子，這也使得在同等溫度下，廢氣中音速高于空氣中音速。噴嘴的膨脹設(shè)計使排氣速度翻倍，通常是 速排氣射流。速度的增量主要由面積膨脹比打算，即噴口面積與噴嘴出口面積更多的熱，由此提高排氣速度。是超音速的，因此射流的壓力只會低于或高于圍壓，不能與之平衡。假設(shè)尾氣壓力以圍壓不同，噴嘴就可以稱為完全膨脹，圍壓或過度膨脹。假設(shè)尾氣壓力以圍壓不同，噴嘴就可以稱為完全膨脹。反壓力和最正確膨脹小于圍壓，運載器就會由于發(fā)動機前端與末端的氣壓差而減速。而假設(shè)尾氣壓力大于圍壓，本該轉(zhuǎn)換成推力的尾氣壓力沒有轉(zhuǎn)換，能量被鋪張。氣有足夠長的距離作用于噴嘴，以降低壓力和溫度。而這增加了設(shè)計難度。實際設(shè)計中通常承受折衷的方法，因而也犧牲了效率。有很多特別噴嘴可以彌補這種缺陷，如塞式噴嘴、階狀噴嘴、集中式噴嘴以及瓦形噴嘴。每種特別噴嘴都能調(diào)整圍壓并讓尾氣在噴嘴中集中更廣，在高空產(chǎn)生額外的推力。一些運載器中，噴嘴的重量也影響著發(fā)動機效率。其次個問題是尾氣在噴嘴中這是必需避開的。動力循環(huán)相對噴管處的熱能損失而言，泵氣損失微乎其微。大氣中使用的發(fā)動機使用高壓動力循環(huán)來提高噴管效率，而真空發(fā)動機則無此要求。對于液體發(fā)動機，將推動機注入燃燒室的動力循環(huán)共有四種根本形式：在小型低性能的發(fā)動機上。有的是依靠自然的重力引導(dǎo)。分級燃燒循環(huán)又稱補燃方式，同樣是燃料和氧化劑在預(yù)燃器中燃燒，推動燃料泵和氧化劑泵，不過不同的是，預(yù)燃器中的燃氣不是直接排放，而是壓入燃燒室，這樣避開了燃料和氧化劑的鋪張，可以做到更大的比沖。追求高比沖發(fā)動機一般都會承受分級燃燒的循環(huán)方式，分級燃燒的時為了追求更高比沖，一般燃燒室壓力要燃氣發(fā)生器循環(huán)高得多，又稱高壓補燃方式。膨脹循環(huán)則是燃料或是氧化劑流過燃燒室壁和噴管壁，在那里冷卻燃燒室和噴管的同時，自身升溫具有更大壓力，推動燃料泵和氧化劑泵運轉(zhuǎn)，很明顯的，燃氣發(fā)生器和分級燃燒的循環(huán)同樣會流經(jīng)這些高溫部位，但是卻加以預(yù)燃器高壓燃氣的驅(qū)動，可以做到大得多的推力。膨脹燃燒循環(huán)的發(fā)動機一般的說具有很高的比沖，理論上其他條件一樣時是最高的比沖，不過推力很難做大。三、火箭發(fā)動機的整體性能火箭技術(shù)集合了高推力〔百萬牛頓〕，高排氣速度〔海平面音速的10高推重比〔>100〕以及能在大氣層外工作的力量。而且往往可以通過減弱一種性能而使另一種性能更高。比沖衡量發(fā)動機性能的重要指標(biāo)就是單位質(zhì)量的推動劑產(chǎn)生的沖量， 通常寫作Isp。比沖可用速度〔Ve米每秒或英尺每秒〕或時間〔秒〕度量。比沖大的發(fā)動機往往是性能極佳的。凈推力以下是發(fā)動機凈推力的近似值計算公式：沖壓阻力，由于凈推力就等于總推力〔排解靜態(tài)反壓力〕。節(jié)流發(fā)動機可通過掌握推動劑流量〔通常以kg/s或lb/s計〕來到達節(jié)流的目的。原則上，發(fā)動機可通過節(jié)流使出口壓力降至圍壓的三分之一〔噴嘴流淌分離〕而上限可至發(fā)動機機械強制允許的最大值。機械上限，主要的限制因素就是燃燒穩(wěn)定性。例如推動劑噴嘴需要一個最小壓〕的范圍內(nèi)進展調(diào)整和測試。而且有必要保證噴嘴出口壓力不會低于圍壓太多，以避開流淌分別問題。能量效率火箭發(fā)動機是一種效率極高的熱力發(fā)動機，產(chǎn)生高速射流，結(jié)果如同卡諾循環(huán)一樣產(chǎn)生高燃燒室溫度和高壓縮比。假設(shè)運載工具的速度到達或略微超過〔全部噴氣推動都是如此〕四、火箭發(fā)動機的冷卻材料工藝反響物料在燃燒室的反響溫度可達約 3500K(~5800°F)。這個溫度遠超出噴嘴和燃燒室材料的熔點〔石墨和鎢除外〕確實在某些材料自身承受范圍內(nèi)能找到適宜的推動劑，但要保證這些材料不會燃燒，熔化或沸騰也很重要。材料工藝打算了化學(xué)火箭尾氣溫度的上限。止材料過熱。如再生冷卻，使推動劑燃燒前通過燃燒室或噴嘴內(nèi)壁的管道。其以保證氣體的熱邊界層在接觸材料時溫度不會影響材料的安全性?；鸺械臒崃魍客诠こ虒W(xué)上是最高的，其變化范圍在 而噴口處熱流通量又是最高的，通常是燃燒室和噴嘴處的兩倍。這是由于噴口處尾氣的高速〔導(dǎo)致邊界層很薄〕和高溫造成的。大，難以冷卻，因此不得不降低溫度，損失了效率。常用的冷卻方式不冷卻：用于短時運行或測試〔通常是液氫〕沿室壁倒下再生冷卻：推動劑在燃燒前先流經(jīng)室壁內(nèi)的冷卻套管薄膜冷卻：室壁被液體推動劑浸濕，液體蒸發(fā)吸熱使之冷卻全部的冷卻措施都是要在室壁形成一層比室內(nèi)溫度低的隔離層〔邊界層〕 只要這層隔離層不被破壞，室壁就不會出問題。而燃燒不穩(wěn)定或冷卻系統(tǒng)故障常常會導(dǎo)致邊界層的保護中斷，隨后導(dǎo)致室壁被破壞。邊界層充作室壁和冷卻劑的隔離層，因此其厚度要盡可能地薄，這可以通過加快冷卻劑流速來實現(xiàn)。五、火箭發(fā)動機的機械問題火箭燃燒室工作在高壓下，通常是 10-200bar〔1--20MPa，壓力越高通常性能也越好〔由于可以使用更高效的噴嘴〕 。這使燃燒室外部處于很大的圓周應(yīng)力之下。也由于高溫工作環(huán)境，構(gòu)造材料的抗張強度顯著降低。六、火箭發(fā)動機的聲學(xué)問題是類風(fēng)琴管共振和氣流擾動的問題。燃燒不穩(wěn)定燃燒不穩(wěn)定有以下集幾種：間歇性燃燒低頻振動?？墒惯\載器推力發(fā)生周期性變化，導(dǎo)致載荷和運載器受損。間歇性燃燒可通過使用高密度推動劑配上充氣阻尼渦輪泵來防止。嗡鳴現(xiàn)象這是由于推動劑噴射器中壓力缺乏導(dǎo)致的。主要是令人不悅，并無實質(zhì)性振蕩燃燒這種狀況往往造成直接損傷，且很難掌握。它往往是伴隨化學(xué)燃燒過程的產(chǎn)生悲劇性后果。這種影響很難在設(shè)計階段預(yù)先分析，只能通過曠日長久的測推動劑噴射進亥姆霍茲阻尼器〔用以轉(zhuǎn)變?nèi)紵夜舱駹顟B(tài)〕前蒸發(fā)成氣態(tài)。應(yīng)，并估算室壓的響應(yīng)時間：恢復(fù)越快，系統(tǒng)越穩(wěn)定。排氣噪音〔特小型除外〕比起其他發(fā)動機，其噪音格外大。特超音速尾氣與四周空氣混合，形成沖擊波。沖擊波的聲音強度取決于火箭的尺寸。土星五號放射時，在離其放射點很遠處的地震儀檢測了這一噪音。產(chǎn)生的200dB(A)。通?；鸺诘孛嫠闹艿脑胍糇畲?，由于噪音從羽流中輻射出去，并被地面〔有轉(zhuǎn)移到運載器散到尾氣中，再與四周空氣相互作用，產(chǎn)生噪音。這種噪音可通過有頂火焰隔離槽，向羽流噴水，偏轉(zhuǎn)羽流角度等方法消減。七、火箭發(fā)動機的化學(xué)問題〔能量每單位質(zhì)量〕物質(zhì)，由于在抱負狀況下全部反省物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為廢氣動能。除了不行避開的損失和發(fā)動機設(shè)計缺陷，不完全燃燒等因素，依據(jù)熱力學(xué)定律，一局部能量轉(zhuǎn)化為分子的動能，無法產(chǎn)生推力。單原子氣體如氦氣只有三個自由度，相當(dāng)于一個三維空間坐標(biāo){x,y,z}，只有這種球形對稱分子沒有這種損失。二原子分子如 方向的軸和垂直這個方面的軸旋轉(zhuǎn)，依據(jù)統(tǒng)計力學(xué)的均分定律，有效能量會均分給各個自由度，因此這種分子在熱平衡中有3/52/5轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。三原子分子如水分子有六個自由度。大多數(shù)化學(xué)反響都是第能能最大限度地恢復(fù)為動能。上作用照舊明顯。由于發(fā)動機工作在極高溫度下，而溫度與分子能量成正比，肯定溫度肯定定量的能量安排給更多的低質(zhì)量的分子最終可以獲得更高的尾氣速度。因此使用低原子質(zhì)量元素更優(yōu)。液氫〔 是目前廣泛使用的相對尾氣速度而言效率最高的推動劑。其他物質(zhì)如硼，液態(tài)臭氧在理論上效率更高，但付諸使用任存在很多問題。八、火箭發(fā)動機的分類〔工作介質(zhì)〕的動能，形成高速射流排出而產(chǎn)生動力?；鸺l(fā)動機依形成氣流淌能的能源種類分為化學(xué)火箭發(fā)動機、核火箭發(fā)動機和電火箭發(fā)動機。樣機已經(jīng)研制成功。電火箭已經(jīng)在空間推動領(lǐng)域有所應(yīng)用。后兩類發(fā)動機比沖遠高于化學(xué)火箭?；瘜W(xué)火箭發(fā)動機主要由燃燒室和噴管組成，化學(xué)推動劑既是能源也是工質(zhì)，它在燃燒室內(nèi)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，生成高溫燃氣經(jīng)噴管膨脹加速，將熱能轉(zhuǎn)化為氣流淌能，以高速〔 1500