请问哪位大神知道“火箭发动机在进入太空后效

作者: 航天航空  发布:2019-11-13

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  火箭发动机就是利用冲量原理,自带推进剂、不依赖外界空气的喷气发动机。火箭发动机是喷气发动机的一种,将推进剂贮箱或运载工具内的反应物(推进剂)变成高速射流,由于牛顿第三运动

  火箭发动机就是利用冲量原理,自带推进剂、不依赖外界空气的喷气发动机。火箭发动机是喷气发动机的一种,将推进剂贮箱或运载工具内的反应物(推进剂)变成高速射流,由于牛顿第三运动定律而产生推力。火箭发动机可用于航天器推进,也可用于导弹等在大气层内飞行。大部分火箭发动机都是内燃机,也有非燃烧形式的发动机。

  大部分发动机靠排出高温高速燃气来获得推力,固体或液体推进剂(由氧化剂和燃料组成)在燃烧室中高压(10-200 bar)燃烧产生燃气。

  液体火箭通过泵或者高压气体使氧化剂和燃料分别进入燃烧室,两种推进剂成分在燃烧室混合并燃烧。而固体火箭的推进剂事先混合好放入燃烧室。固液混合火箭使用固体和液体混合的推进剂或气体推进剂,也有使用高能电源将惰性反应物料送入热交换机加热,这就不需要燃烧室。火箭推进剂在燃烧并排出产生推力前通常储存在推进剂箱中。推进剂一般选用化学推进剂,在经历放热化学反应后产生高温气体用于火箭推进。

  化学火箭的燃烧室通常呈圆柱体形,其尺寸要满足推进剂充分燃烧,所用推进剂不同,尺寸不同。用L * 描述燃烧室尺寸

  燃烧室的压力和温度通常达到极值,不同于吸气式喷气发动机有足够的氮气来稀释和冷却燃烧,火箭发动机燃烧室的温度可达到化学上的标准值。而高压意味着热量在燃烧室壁的传导速度非常快。

  燃烧室的收缩比是指燃烧室横截面积与喷管喉部面积之比。当推进剂和燃烧室压力一定时,收缩比与质量流量密度成反比,选定质量流量密度也就选定了燃烧室收缩比。但利用收缩比来选择燃烧室直径更直接和方便一些。收缩比的选择主要是根据实验或者统计方法,推荐以下数据:

  发动机的外形主要取决于膨胀喷嘴的外形:钟罩形或锥形。在一个高膨胀比的渐缩渐阔喷嘴中,燃烧室产生的高温气体通过一个开孔(喷口)排出。

  如果给喷嘴提供足够高的压力(高于围压的2.5至3倍),就会形成喷嘴阻流和超音速射流,大部分热能转化为动能,由此增加排气的速度。在海平面,发动机排气速度达到音速的十倍并不少见。

  一部分火箭推力来自燃烧室内压力的不平衡,但主要还是来自挤压喷嘴内壁的压力。排出气体膨胀(绝热)时对内壁的压力使火箭朝向一个方向运动,而尾气向相反的方向。

  要使发动机有效利用推进剂,需要用一定质量的推进剂产生最大可能压力作用于燃烧室和喷嘴,此外以下方法也能提高推进剂效率:

  将推进剂加热到尽可能高的温度(使用高能燃料、氢,碳或某些金属如铝,或使用核能)

  因为所有的措施都是出于减轻推进剂质量的考虑;压力与被加速的推进剂量成比例关系;也因为牛顿第三定律,作用于发动机的压力也作用于推进剂。废气出燃烧室的速度似乎是由燃烧室压决定的。然而该速度明显受上述三种因素影响。综合起来,排气速度就是检验发动机

  由于空气动力的原因,废气在喷口产生阻流效应。音速随温度平方根增长,因此使用高温尾气能提高发动机性能。在室温下,空气中的音速为340 m/s,而在火箭的高温气体中可达1700 m/s以上,火箭的大部分性能都是由于高温。加之火箭推进剂通常选用小分子,这也使得在同等温度下,废气中音速高于空气中音速。

  喷嘴的膨胀设计使排气速度翻倍,通常是1.5至2倍,由此产生准高超音速排气射流。速度的增量主要由面积膨胀比决定,即喷口面积与喷嘴出口面积的比值。而气体的性质也很重要。大膨胀比的喷嘴尺寸更大,但能使废气释放更多的热,由此提高排气速度。

  喷嘴效率受工作高度影响,因为大气压力随高度升高而降低。但由于尾气是超音速的,因此射流的压力只会低于或高于围压,不能与之平衡。

  要获得最佳性能,尾气在喷嘴末端的压力需要与围压相等。如果尾气压力小于围压,运载器就会因为发动机前端与末端的气压差而减速。而如果尾气压力大于围压,本该转换成推力的尾气压力没有转换,能量被浪费。

  为了维持尾气压力和围压的平衡,喷嘴直径需要随高度升高而增大,使尾气有足够长的距离作用于喷嘴,以降低压力和温度。而这增加了设计难度。实际设计中通常采用折衷的办法,因而也牺牲了效率。有许多特殊喷嘴可以弥补这种缺陷,如塞式喷嘴、阶状喷嘴、扩散式喷嘴以及瓦形喷嘴。每种

  当围压足够低,如真空,就会出现一些问题:一个问题是喷嘴的剪重,在一些运载器中,喷嘴的重量也影响着发动机效率。第二个问题是尾气在喷嘴中绝热膨胀并冷却,射流中某些化学物质会凝结产生“雪”,导致射流的不稳定,这是必须避免的。

本文由565.net亚洲必赢于2019-11-13日发布