固体火箭发动机1

1、 火箭发动机原理 2013n航空航天推进系统王春利 北理工出版社n固体火箭发动机原理哈尔滨工程大学自印 讲义n固体火箭发动机原理董师颜 北理工出版 参考教材课程主要内容n航空与航天飞行器概述n火箭发动机基本原理与主要性能参数n固体火箭推进系统n液体火箭推进系统第一章第一章 航空与航天飞行器概述航空与航天飞行器概述 n航空航空：在大气层内的空间飞行活动。：在大气层内的空间飞行活动。n航天航天：在大气层外的空间飞行活动。：在大气层外的空间飞行活动。 包括近地空间飞行、行星际空间的航行、飞包括近地空间飞行、行星际空间的航行、飞往月球或大行星的航行以及飞出太阳系的航往月球或大行星的航行以及飞出太阳系的

2、航行。行。 飞行器飞行器：在大气层内或大气层外空间飞：在大气层内或大气层外空间飞行的器件。包括：行的器件。包括：n航空飞行器航空飞行器n航天飞行器航天飞行器n火箭和导弹火箭和导弹一、航空飞行器n1、航空飞行器航空飞行器 在大气层内飞行在大气层内飞行n2、升空飞行原理、升空飞行原理 靠空气的静浮力或空气相对运动产靠空气的静浮力或空气相对运动产 生的生的空气动力升空飞行空气动力升空飞行 n3、分类分类轻于空气的航空器轻于空气的航空器重于空气的航空器重于空气的航空器气球气球汽艇汽艇固定翼航空器：飞机、滑翔固定翼航空器：飞机、滑翔机机旋翼航空器：直升机、旋翼机旋翼航空器：直升机、旋翼机航空飞行器航空飞

3、行器二、航天飞行器1、航天飞行器航天飞行器n在大气层外按天体力学规律飞行在大气层外按天体力学规律飞行n大气层外包括：地球近地空间、行星际大气层外包括：地球近地空间、行星际空间、恒星际空间等空间、恒星际空间等 n2、分类分类航天器航天器无人航天器无人航天器载人航天器载人航天器人造地球卫星人造地球卫星空间平台空间平台空间探测器空间探测器载人飞船载人飞船空间站空间站载人太空实验室载人太空实验室航天飞机、空天飞机航天飞机、空天飞机科学卫星科学卫星应用卫星应用卫星技术试验卫星技术试验卫星三、火箭和导弹1、火箭火箭n指以火箭发动机为动力的飞行器指以火箭发动机为动力的飞行器n火箭发动机自身携带推进剂，不依赖

4、于大气中火箭发动机自身携带推进剂，不依赖于大气中的空气，靠推进剂燃烧产生推力。其在大气层的空气，靠推进剂燃烧产生推力。其在大气层内外飞行内外飞行2、导弹、导弹n以火箭发动机或其它喷气发动机为动力，由制以火箭发动机或其它喷气发动机为动力，由制导系统控制飞行且带有战斗部的飞行器导系统控制飞行且带有战斗部的飞行器长度长度 6.25米米 、直径、直径 0.52米米 、射程、射程 2500千千米米 、 速度速度 885千米千米/小时小时 402发动机发动机“战斧战斧”巡航导弹巡航导弹弹道导弹弹道导弹四、航空航天推进系统概述1、推进系统、推进系统n利用利用反作用原理反作用原理为飞行器为飞行器 提供推力提供

5、推力的一种装置的一种装置 n2、分类分类推进系统按工作原理分为两大类：推进系统按工作原理分为两大类：n间接反作用类间接反作用类n直接反作用类直接反作用类举例举例n间接反作用：间接反作用： 直升机：由于螺旋桨旋转作用在空气，直升机：由于螺旋桨旋转作用在空气，空气的反作用力产生升力空气的反作用力产生升力n直接反作用直接反作用 喷气发动机：发动机燃料燃烧，膨胀燃喷气发动机：发动机燃料燃烧，膨胀燃气高速向后喷出，发动机得到与燃气喷气高速向后喷出，发动机得到与燃气喷出方向相反的推力而向前运动出方向相反的推力而向前运动 推进系统分类推进系统分类飞行器推进系统飞行器推进系统直接反作用直接反作用推进系统推进系

6、统（喷气推进）（喷气推进）间接反作用间接反作用推进系统推进系统火箭发动机火箭发动机冲压发动机冲压发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机活塞式航空发动机活塞式航空发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机航空电动机航空电动机涡轮轴发动机涡轮轴发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机按工作原理不同划分为：按工作原理不同划分为： 直接反作用推进系统（喷气推进）直接反作用推进系统（喷气推进）n 喷气推进喷气推进火箭推进火箭推进通管推进通管推进冲压发动机冲压发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机n火箭推进系统：自身携带能源和工质，火箭推进系统：自身携带能源和工质，不不需要外界大气中的氧需要外界

7、大气中的氧作为氧化剂而工作的作为氧化剂而工作的喷气推进系统喷气推进系统火箭推进系统的分类火箭推进系统的分类按能源和工质不同分按能源和工质不同分：火箭推进系统火箭推进系统化学能化学能火箭推进系统火箭推进系统特种特种火箭推进系统火箭推进系统液体火箭推进系统液体火箭推进系统固体火箭推进系统固体火箭推进系统液固混合火箭推进系统液固混合火箭推进系统电火箭推进系统电火箭推进系统核火箭推进系统核火箭推进系统太阳能火箭推进系统太阳能火箭推进系统化学能与特种火箭推进系统的不同化学能与特种火箭推进系统的不同n化学能化学能火箭推进系统：火箭推进系统： 能源和工质一体能源和工质一体n特种特种火箭推进系统：火箭推进系统

8、：n能源和工质分开能源和工质分开 能源：太阳能、核能、电能能源：太阳能、核能、电能 工质：氨、氢、氮、氩、肼等。工质：氨、氢、氮、氩、肼等。化学火箭推进化学火箭推进挤压式液体火箭发动机挤压式液体火箭发动机化学火箭推进化学火箭推进泵压式液体火箭发动机泵压式液体火箭发动机化学火箭推进化学火箭推进固体火箭发动机固体火箭发动机固体火箭发展历史n唐朝（公元618907年）初年，我国就已发明了黑火药。 n宋朝（公元969年），冯继升和岳义方两人首先发明火箭武器。n从我国古代的火箭开始，到十九世纪欧洲的火箭应用于战争，是固体火箭发展的第一个时期。所用的推进剂是黑火药，能量不够高，技术也比较原始。 n近代固体

9、火箭的发展可以从本纪世三十年代硝化甘油无烟火药的发明开始。 n当时欧洲的苏联、德国等国都采用无烟的双基推进剂，研制和生产了大量的各种近程野战火箭弹。著名的“喀秋莎”火箭就是这个时代苏联火箭的典型代表。n在德国，到第二次世界大战前夕，已经研制了几种多级固体火箭作为远射程的武器，但还没有来得及大量使用，法西斯德国就遭到了覆灭。n迄今，双基推进剂的固体火箭发动机仍然广泛地用于各种近程武器和其它推进系统上。 n四十年代末期复合推进剂的出现，使固体火箭发动机的发展又开始了一个新的阶段。复合推进剂可以广泛地选择能量高而性能比较合面的氧化剂和燃料，以得到更高的比冲 。n而贴避浇铸、内孔燃烧的装药和强度高、重

10、量轻的壳体采用，使固体火箭发动机向大尺寸、长时间工作方向发展，大大提高了固体火箭发动机的性能，扩大了它的应用范围。n到目前为止，固体火箭发动机已广泛应用于各种近、远程导弹和航天飞行的任务，早在六十年代就已经有了“全固体”的洲际导弹和发射人造卫星的“全固体”的运载火箭。而在各类战术导弹的推进动力方面，固体火箭发动机已经占了绝对优势。 固发应用范围和发展现状 一、作为主动力装置，固体火箭发动机广泛地用于各种类型火箭导弹的推进n在中、近程火箭、导弹中，包括各种无控火箭、反坦克导弹、以及地-地、地-空、空-空、空-舰、舰-空和舰-舰导弹，都采用一级或两级固体火箭发动机。对于需要两级推力的导弹，可以采用

11、两级发动机：一是大推力、短时间的起飞发动机；一是小推力、长时间的续航发动机，也可以采用单室双推力的固体火箭发动机。 二、作为主动力装置，固体火箭发动机在宇航中的应用也不断增加n早在六十年代就有“全固体”的发射人造卫星的运载火箭，例如“侦察兵”号的四级固体火箭就能将136公斤重的卫星送入近地点为556公里的轨道。n固体火箭发动机可以达到很高的质量比，有利于减轻重量，常用来作为空间任务的末级轨道发动机或卫星运载的远地点发动机。这类发动机在高空工作，为了减轻重量，往往设计成球形或椭球形燃烧室 三、作为辅助的动力装置，固体火箭发动机也广泛地用于航空和宇航技术n常用短时间工作的固体火箭发动机使飞行器获得

12、一定的速度增量来校正轨道或导弹的飞行弹道。也可用来产生反推力，使飞行器减速着陆。n固体火箭发动机可以用于多级火箭的级间的分离。n在飞机起飞中还采用固体火箭发动机作为起飞助推器，可以缩短起飞滑跑距离或增加起飞重量。n冲压喷气发动机只有在一定的飞行速度下才能起动工作。因此，经常采用固体火箭发动机作为起飞助推器，使其获得必要的飞行速度，以便冲压发动机能独立工作。 四、固体火箭发动机在经济建设和生产中的 应用n首先应用的是探空气象火箭。用固体火箭发动机发射，在高空获取气象资料。n由固体火箭发动机发射的各种防雹火箭在我国的农业生产上曾多次使用，对防止冰雹的形成，保护农业生产，取得了较好的效果。液体火箭发

13、展历史n1903年俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出使用液体推进设想。n二战后期，德国研制成第一枚使用液体火箭发动机的弹道导弹v-2.以液氧/酒精为推进剂，采用泵压式推进剂供应系统。n20世纪50到60年代，液体火箭推进技术迅速发展，1957年苏联用大型运载液体火箭发射了世界上第一颗人造卫星。n70到80年代各国研制具有大推力、可重复使用的液体火箭发动机，以适应航天活动发展对大型运载火箭和天地往返运输系统的推进系统需求。n现研制重点是可重复使用、高性能、高可靠性、无污染、价格低廉的新型推进系统。n液体发动机应用领域：运载火箭、航天飞机、航天器、战术导弹和战略导弹 n第二章 火箭发动机的主要性能参数第

14、一节 推力一、定义n火箭发动机推力：发动机工作时作用于发动机全部表面（内外表面）上的气体压力的合力。 -燃气对发动机内表面的作用力 -外界大气对发动机外表面的作用力NWFFFNFWFn二、推导推力基本关系式0eNeemuFp A NeeeFmup ANWFFFwaeFp A eeaeFmuppA推力基本关系式动量定理三、分析推力组成n 动推力，大小取决于燃气质量流率和喷气速度，是推力的主要组成部分。n 静推力，是由于喷管出口处燃气压强与外界大气压强不一致产生的，与喷管工作状态 有关，与工作高度有关。emueaeppAn特征推力n真空推力n等效喷气速度eappTZeFmu0ap UeeeFmup

15、 AefFmueaefeeppuuAm第二节 喷气速度热力学与气体动力学基本关系式热力学与气体动力学基本关系式 1）比热比）比热比n n对一定种类气体，比热比是定值对一定种类气体，比热比是定值/pvccpcvc比热比比热比 定压比热容定压比热容定容比热容定容比热容/J mol K/Jmol K n2) 等熵过程方程式等熵过程方程式 P2211()PP常数常数或或n3）滞止参数滞止参数 气体从任意状态经可逆、绝热过程将速度气体从任意状态经可逆、绝热过程将速度减小至零时状态下的参数称滞止参数减小至零时状态下的参数称滞止参数n滞止焓：滞止焓：n滞止温度：滞止温度：n滞止压强：滞止压强：202uhh2

16、02puTTc010()TPPT4）声速、马赫数和速度系数）声速、马赫数和速度系数nA、声速、声速nB、速度系数、速度系数dPcRTd*uc n n C、马赫数、马赫数 当当 时为临界声速时为临界声速 ，uMac1Ma *c*ccu*021ccn 5）用马赫数表达的无量纲参数）用马赫数表达的无量纲参数20120212012011121(1)21(1)21(1)2TM aTcM acM aPM aP n 6）用速度系数表达的无量纲参数）用速度系数表达的无量纲参数201220121021011( )11(1)( )11(1)( )11(1)( )1TTccPP n7）临界参数）临界参数n n 流动

17、状态下的气流参数，流动状态下的气流参数，1Ma *01*1*10212()12()1TTPP膨胀比膨胀比 与扩张比与扩张比11211ektkkeeccAAppkpkp12121kkkk ecppetAAn喷气速度喷气速度 ：eu1021 ()1eeccRPuTPn式中下标式中下标c表示燃烧室，表示燃烧室，e表示喷管出口表示喷管出口2222ceceuuhh12()2(1)21 ()kkeepcepcpceccTuc TTc Tc TppT01pRkckn喷气速度喷气速度 ：eu1021 ()1eeccRPuTPn 分析：分析：n（1）增大增大排气速度，可用燃气排气速度，可用燃气分子量小分子量小的

18、高能的高能 推进剂。推进剂。n（2）增大增大排气速度，可排气速度，可减小减小 和和n（3）提高）提高 ，会带来热防护问题。，会带来热防护问题。n（4）减小）减小 ，喷管结构尺寸设计受限，喷管结构尺寸设计受限ecP PecP PcT1021 ()1eeccRPuTP（1）1021 ()1eeccRPuTPn当当 时，时，0eP 21LcuRTLu极限排气速度极限排气速度（1）0.511 ()eeLLcPuuuP11()ecPP 定压发动机工作循环的理想循环效率定压发动机工作循环的理想循环效率第三节 流率、流率系数 和特征速度11121kktttctcmu ApkAkRT12121kkkk ctD

19、ctcmpAC p ART流率n流率系数n流率系数反映燃烧产物的热力学性质，主要由推进剂成分决定。DcCRTn特征速度n特征速度是 推进剂的性能参数，取决于燃烧产物的热力学性质。双基推进剂一般1400m/s，复合推进剂1500-1800m/s*1cDRTCC第四节 推力系数eeaeFmuppA1211kkeeeactctccpAppkFp AkpApp1211kkeeeaFctccpAppkCkpApp ctFFp AC推力系数推力系数：表征喷管性能的参数，推力系数越大说明燃气在喷管中进行膨胀过程越完善。影响推力系数的因素：扩张比、工作高度n讨论推力系数与喷管扩张比的关系n讨论推力系数与工作高

20、度的关系n特征推力系数 当 时，特征推力系数为：10211kkeFcpkCkp eapp0eeaFFtccAppCCApp例题：计算发动机在地面试车时的喷管推力系数，已知：n喷管喉部直径：40毫米n喷管出口直径：80毫米n地面大气压强：n比热比：1.2651.013 10 Pa最大推力和最大推力系数n问题1：给定燃烧室压强和喷管喉部截面积并规定发动机工作高度后，选择多大的喷管面积比，才能获得最大的推力？结论：n当 时，发动机喷管产生的推力最大。n当燃烧室压强和喷管喉部截面积一定时，发动机推力与推力系数成正比，所以，只有完全膨胀喷管的推力最大，推力系数也最大。eappn在给定压强比 情况下，推力

21、系数随扩张比的变化曲线可见，推力系数存在最大值，在最大推力系数附近，变化比较平缓。从减小喷管尺寸和重量的角度来说，可以选择比完全膨胀喷管的扩张比稍小的值。cappn问题2：当燃烧室压强、喷管喉部截面积和喷管出口截面积都保持不变时，推力随发动机工作高度变化的特性？n随着选定的设计高度增加，发动机在相应设计高度上的推力也增加。n同一发动机，如何达到在不同高度上，推力都达到最大值？第五节 总冲和比冲一、工作时间 和燃烧时间n发动机工作的全部时间包括：从点火启动、产生推力开始，到发动机排气过程结束、推力下降为零为止。n发动机工作时间定义：以发动机点火后推力上升到10%最大推力或其它规定推力的一点为起点

22、，以发动机熄火后推力下降到10%最大推力或其它规定推力的一点为终点，这两点间的间隔时间作为工作时间。atbtn固体火箭发动机燃烧时间：从点火启动、装药开始燃烧到装药燃烧层厚度烧完为止的时间，不包括拖尾段（燃烧结束后的推力下降过程）。二、总冲n发动机总冲：推力对时间的积分n单位： 发动机总冲越大，火箭射程越远或发射载荷越重0atIFdtN S -推进剂装药质量0atefImu dt0atpmdtMpefIM upM 三、比冲n比冲：发动机在稳定工作状态下，燃烧一千克质量推进剂所产生的冲量。n比冲： 单位：m/s00aatstpFdtIIMmdt 比推力：每秒钟消耗一千克质量推进剂所产生的推力n真

23、空比冲、特征比冲n固体火箭发动机比冲约为2000-3000m/s液体火箭发动机比冲约为2500-4600m/sssFIFmsF四、主要参数间关系1、 影响等效排气速度的因素都影响比冲。比冲的高低取决于燃烧温度、燃气平均分子量、比热比、膨胀比。00aatstpFdtIIMmdtpefIM usefI un2、 比冲主要取决于推进剂本身能量的高低，与发动机工作过程的完善程度有关。*ctctDctcp Amp AC p ACRTctFFp AC*sFFIC Cm第六节 火箭发动机参数 对火箭飞行性能的影响一、火箭飞行最大速度n计算火箭在大气层以外和重力场以外条件下飞行加速所能得到的最大速度 n 有效

24、载荷制导、遥测与控制设备推进剂质量贮箱、结构火箭发动机飞行器质量分布飞行器质量分布土星五号土星五号n M整个火箭飞行器质量n 推进剂消耗率等于 火箭质量减小速率dvFMdtsFmIdMmdt sdvdMMIdtdt sdMdvIM n -齐奥尔科夫斯基公式n 起飞时整个火箭质量n 全部推进剂质量max000pvMMsMdMdvIM 0max0lnspMVIMM 0MpM讨论火箭最大速度影响因素n发动机比冲越大，最大速度越大n发动机质量数越大，最大速度越大n推进剂密度增大时，相对减小结构尺寸和重量。尽可能提高推进剂装填密度，减小结构重量。n是美国专为阿波罗登月和天空实验室研制的液体燃料运载火箭，

25、可称得上是运载巨无霸。它是土星火箭中最大的一位成员，更是迄今使用过的最大、最重、推力最强的运载火箭。n说它是巨无霸，从它的一些数据就能看出。火箭高111米，直径10米，质量3038.5吨，在使用三级时，可以将118吨有效载荷送入近地轨道，47吨有效载荷送入月球轨道，发射天空实验室时是二级，有效载荷质量为75吨。n美国德尔它系列运载美国德尔它系列运载火箭系列火箭系列n1960年5月13日首次发射，迄今为止已发展了19种型号，目前正在使用的是德尔它-2和德尔它-3两种型号。美国空军的全部GPS卫星都是由德尔它-2发射的。其中的重型德尔它-4的地球同步转移轨道运载能力在13t以上。 n天顶号系列运载火箭天顶号系列运载火箭n是前苏联(后为乌克兰)研制的运载火箭，分为两级的天顶-2、三级的天顶-3和用于海上发射的天顶-3SL。天顶-2的低地轨道运载能力约为14t，太阳同步轨道运载能力约为11t。可在海上发射的天顶-3SL是美国