火箭发动机基本原理与主要性能参数课件

1、第三章 火箭发动机基本原理与 主要性能参数 第一节 火箭推进系统的分类与定义 第二节 基本原理与基本关系式第三节 火箭发动机的主要性能参数 第一节 火箭推进系统的分类与定义一、 火箭推进系统的分类 下一页返回二、 火箭推进系统的定义 推进系统是指利用反作用原理为飞行器提供推力的一种装置(亦称动力系统)，而火箭推进系统是一种喷气推进装置。自身携带能源和工质，而不需要外界大气中的氧作为氧化剂而工作的喷气推进系统称做火箭推进系统。凡用化学推进剂做能源的火箭推进系统，称为化学能火箭推进系统。返回上一页第二节 基本原理与基本关系式一、火箭发动机的工作原理:火箭发动机的工作过程可以概括为两个基本过程，即燃

2、烧过程和流动过程。 燃烧过程是在发动机的燃烧室中进行，将推进剂的化学能转变成热能；流动过程是在喷管中完成的，燃烧产生的高温高压燃气(工质)进入管，在喷管内膨胀加速，最后从喷管高速喷出。 流动过程是工质的热能转变为动能。 因此，火箭发动机的工作过程是能量转换过程。 下一页返回二、理想火箭发动机1.基本假设2.理想火箭发动机的热力循环 三、喷管理论及基本关系式1.一维定常熵流动的基本方程2.热力学与气体动力学基本关系式下一页返回上一页3喷管中的等熵流动理论(1) 喷管形状对流动的影响 当Ma0)，则需使dA1时，即超音速流动时，欲使d u0，即继续增大超音速气流速度，则需使dA0，即必须逐渐增大流

3、动截面积； 当Ma=1时，即为音速流动，此时dA=0,由前面的和结论，流动截面必为最小截面，此时称为临界截面，或叫喉部截面。 (2) 临界参数它是指Ma=1时的流动状态下的气流参数，而这种状态叫临界状态。 (3) 喷管排气速度上一页返回第三节 火箭发动机的主要性能参数一、 推力 二、 推力系数三、 特征速度 四、 总冲 五、 比冲 六、 发动机后效冲量 七、 效率 八、 推质比 九、 推进剂质量混合比 返回一、 推力1定义火箭发动机(推力室)的推力定义是当火箭发动机工作时，作用在火箭发动机(推力室)内、外壁所有表面上的作用力之合力 2 推力的表达式 F=e0pindA+e0pexdA 3 真空

4、推力与特征推力火箭发动机在真空环境中工作时发出的推力叫真空推力。真空推力表达式为： FV=mue+Aepe 我们称pe=pa条件下的状为设计状态，在喷管设计中常称此状态为完全膨胀状态。该状态下的火箭发动机推力为特征推力，记为F， F=mue 返回二、 推力系数1 推力系数定义及表达式 推力系数定义为推力F与Atpc乘积成正比的比例系数，或者为火箭发动机(推力室)推力F与喷管喉面At和燃烧室压强乘积之比。 推力表达式可写成F=cFAtpc 2 真空推力系数和特征推力系数 真空推力所对应的推力系数称真空推力系数 ，用cFV表示。 特征推力所对应的推力系数称特征推力系数，亦称最佳推力系数，用cF表示

5、3 影响推力系数的主要因素 返回三、 特征速度 流量系数的倒数叫做特征速度，记为c*,其单位为ms，是个速度量纲，所以称特征速度，但它并不具有真实速度的含义。c*值越大，表明推进剂的能量特性越大，燃烧室内的燃烧过程越完善。因而它是评定火箭发动机燃烧室内部工作过程质量的指标，可以通过火箭发动机的地面试验来求得实际的特征速度。 c*= At/mpta0pdt=AtIp/mp mp推进剂质量 ； Ip发动机的压冲； At喷管喉部面积。 返回四、 总冲 由冲量的物理意义可知，火箭发动机的推力与推力作用时间的乘积称为发动机的推力冲量(或称总冲) 1 火箭发动机的工作时间火箭发动机的工作时间定义为： 从燃

6、烧室初始压强建立到有效工作终点压强之间的对应时间间隔 。2 总冲 总冲是表示火箭发动机工作能力的指标。其定义为火箭发动机推力F对工作时间ta的积分，以I表示，单位为Ns(或kgms)。I=ta0Fdt 返回五、 比冲 火箭发动机在稳态工作状态下，单位质量推进剂所产生的冲量定义为发动机的比冲，以ISP表示，单位为Nskg(或ms) ，即ISP=I/mp=ta0Fdt/ta0mdt 比冲是火箭发动机的重要性能参数，它直接影响着火箭的运载能力或火箭的射程，也影响着火箭发动机的结构尺寸或结构质量。当总冲一定，比冲越高，则所需的推进剂的质量可减少，其相应的结构尺寸和结构质量就小；如果推进剂质量确定，比冲

7、越高，则可提高火箭的射程或增大火箭的运载能力。 返回六、 发动机后效冲量 不论液体火箭发动机或是固体火箭发动机，都存在一个后效冲量问题。在对发动机发出关机指令后，液体火箭发动机内残余推进剂产生冲量；而固体火箭发动机的药柱燃烧会有剩药产生冲量，皆称为后效冲量。定义式为： Ic=tmtbF(t)dt式中tb关机指令发出时间，s； tm推力消失为零的时间，s。 为了减少后效冲量及其偏差，通常对液体火箭发动机设置快速关机的断流阀门等措施，对固体火箭发动机可采取推力终止装置等措施。 返回七、 效率 效率分为热效率(内效率)、推进效率(外效率)和总效率。 1 热效率 影响发动机热效率的因素有： (1) 燃

8、烧产物离解 (2) 燃烧不完全(3) 热力学损失 (4) 喷管损失 2 推进效率 推进效率又称“外效率”，表示发动机产生的喷气动能转变为推进功的程度。 3 总效率 火箭发动机的总效率是热效率与推进效率的乘积。它表示推进剂完全燃烧放出的热量转变为有效推进功的程度，实际上是比冲效率。 返回八、 推质比 推质比是火箭推进系统在静止条件下海平面推力与火箭结构质量之比。由定义可写出下式 N=F/mg F火箭发动机海平面推力，N m火箭结构质量，kg推质比反映了火箭推进系统设计质量的优劣及制造、结构材料的水平推质比越大，则飞行器的加速度越大。它对火箭的性能有重要的影响，直接影响着火箭的运载能力和飞行的稳定性，以及导弹的射程 。 返回九、 推进剂质量混合比 推进剂质量混合比是液体火箭发动机的重要性能参数。定义为液体火箭发动机氧化剂质量流量与燃料质量流量之比，记为k，即 k=m0mf 式中m0氧化剂质量流量