PDF《火箭的推进原理》

5000 米/秒,且易於调节与控制,多用在太空飞行火箭的主动力设备上. 在构造上,液体火箭比固态火箭 复杂很多.液体火箭发动机主要 由推力室、涡轮帮浦、燃气发生 器(或预燃室)、火药启动器和各 种阀门、调节器、管路等组成. 推进剂输送和增压系统是保证液 体火箭发动机可靠工作的重要系 统.它由推进剂输送管道、增压 管道和增压器件及各种阀门等主 要组件组成.其主要功用是将推 进剂输送到发动机帮浦前,经过 帮浦加压后再送入发动机推力室 ,提供对推进剂贮箱进行增压的 气体,保证从贮箱中流出的推进 剂在发动机帮浦入口处的压力满 足发动机帮浦工作所需的最小压 力,同时满足贮箱架构强度和刚 度对箱内压力的要求.用高压气体对燃烧剂与氧化剂贮箱增压,然后用涡轮帮浦 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.pdffactory.com 将燃烧剂与氧化剂输进燃烧室.最理想的推进剂由液氢和液氧组成,是良好的高 能推进剂. 03.比冲 比冲为火箭发动机单位质量(力)推进剂产生的冲量,或单位质量(力)流量的推进 剂产生的推力,又称比推力.比冲 Is=F/W (s),式中 F 为推力(N),W 为质量(力) 流量(N/s).也有使用质量流量的,则比冲的标准单位应为 m/s 或N?s/kg,恰好 为速度的单位,因此比冲在物理意义上所指的就是喷流速度. (注十) 比冲是表示火箭发动机性能的另一个重要参数 .它表示火箭发动机在稳定工作状 态下,每单位质量的推进剂所产生的推力值,其大小和喷管出口截面积与窄喉截 面积之比(面积比)有关.面积比越大,比冲越高.喷管形状直接影响比冲的大 小(燃气从喷口喷出时的速度) .比冲高,既表示推进剂能量高,又表示发动机 效率高,它是两者结合的结果. (注十一) 04.拉瓦尔喷管 拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分.喷管的 前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉.窄 喉之后又由小变大向外扩张至箭底.箭体中的 气体受高压流入喷嘴的前半部,穿过窄喉后由 后半部逸出.这一架构可使气流的速度因喷管 截面积的变化而变化,使气流从亚音速到音速 ,直至加速至跨音速.所以,人们把这种喇叭形 喷管叫跨音速喷管 . 由於它是瑞典人拉瓦尔发明的 , 因此也称为 拉瓦尔喷管 . 分析一下拉瓦尔喷管的原理.火箭发动机中的燃气流在燃烧室压力作用下,经过 喷管向后运动,进入喷管的 A.在这一阶段,燃气运动遵循 流体在管中运动时, 截面小处流速大,截面大处流速小 的原理,因此气流不断加速.当到达窄喉时, 流速已经超过了音速.而跨音速的流体在运动时却不再遵循 截面小处流速大, 截面大处流速小 的原理,而是恰恰相反,截面越大,流速越快.在B,燃气流 的速度被进一步加速,为2-3 公里/秒,相当於音速的 7-8 倍,这样就产生了巨大 的推力. 拉瓦尔喷管实际上起到了一个 流速增大器 的作用.其实,不仅仅是火箭发动 机,飞弹的喷管也是这样的喇叭形状的,所以拉瓦尔喷管在武器上有著非常广泛 的应用. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.pdffactory.com

五、齐奥尔科夫斯基 齐奥尔科夫斯基经过深入研究火箭原理,在1903 年给出了有名的齐奥尔科夫斯 基公式:V=Vp?ln?M0 / M (V 为终速,Vp 喷气速度,M0 为原始质量,M 为所剩 质量).该公式是在真空、无引力场的理想情况下导出的,以简洁的形式给出了 单级火箭所能达到的最大速度,表明在真空、无引力场的条件下由於火箭发动机 工作使火箭速度的增加值与火箭发动机的喷气速度(喷气相对於发动机的速度) 成正比,与火箭质量比 (火箭发动机工作开始时刻的火箭质量与火箭发动机工作 结束时刻的火箭质量比值) 的自然对数成正比.此公式没有考虑气体阻力和天体 引力,因此并不完全符合实际状况. (注十二) 齐奥尔科夫斯基肯定了液体火箭发动机是最适宜的航天动力装置 ,也最早在理论 上提出多级火箭的构想.此外,他也指出,提高火箭速度的关键不在於增大火箭 的尺寸与质量,而在於提高发动机的喷气速度,如采用高能推进剂,另一点则是 提高火箭的质量比(火箭加推进剂质量和火箭净重的比值) ,设法减轻........