火箭动力原理精解【2】

文章目录

固体火箭发动机和液体火箭发动机
- 构造
- - 固体火箭发动机构造
  - 液体火箭发动机构造
- 轴向速度与等效排气速度
- - 轴向速度
  - 等效排气速度
  - 两者关系与区别
- 飞行器每一级的质量比
- - 一、飞行器质量比的定义
  - 二、飞行器质量比的影响因素
  - 三、飞行器质量比的实例分析
  - 四、总结
- 推进剂比耗量（Propellant Mass Ratio，有时也称作燃料比耗量或简称比耗量）
参考文献

固体火箭发动机和液体火箭发动机

固体火箭发动机和液体火箭发动机在构造上存在显著的差异，以下是两者构造的详细对比：

构造

固体火箭发动机构造

固体火箭发动机主要由以下几部分组成：

药柱：由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体，中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形、星形等。药柱是发动机的能量来源。
燃烧室：通常与发动机壳体一体化，用于容纳药柱并提供燃烧环境。燃烧室须承受高温高压，因此需用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造，并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。
喷管组件：包括喷管及推力向量控制系统。喷管使燃气膨胀加速产生推力，推力向量控制系统能改变燃气喷射角度，从而实现推力方向的改变。
点火装置：用于点燃药柱，通常由电发火管和火药盒（装黑火药或烟火剂）组成。通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点火燃药柱。

此外，一些固体火箭发动机还装有推力终止装置，用于在需要时迅速停止推力。

液体火箭发动机构造

液体火箭发动机则主要由以下几部分组成：

推力室：推力室是发动机的核心部件，由喷注器、燃烧室和喷管三个主要部分组成。喷注器负责将推进剂按一定比例喷入燃烧室，燃烧室内推进剂燃烧产生高温高压燃气，燃气经喷管膨胀加速产生推力。
推进剂供应系统：负责将推进剂从贮箱输送到推力室。根据供应方式的不同，可分为挤压式供应系统和泵压式供应系统。挤压式供应系统依靠高压气体对贮箱中的液体推进剂进行挤压，而泵压式供应系统则通过涡轮泵将推进剂加压后送入推力室。
发动机控制系统：对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制。工作程序包括起动、主级工作和关机；工作参数主要是指推力和推进剂的混合比等。
其他辅助部件：如燃气发生器（或预燃室）、火药启动器和各种阀门、调节器、管路等。

综上所述，固体火箭发动机和液体火箭发动机在构造上存在显著差异。固体火箭发动机结构相对简单，但工作时间短，推力不易控制；而液体火箭发动机结构复杂，但工作时间长，推力可调范围大。这些差异使得两者在应用领域上各有侧重。

轴向速度与等效排气速度

是流体力学和推进技术中两个重要的概念，它们各自有着不同的定义和应用场景。

轴向速度

定义：

轴向速度是指气体（或液体）在流动过程中，沿某一特定轴向（如管道、发动机轴线等）的分速度。它是描述流体运动特性的重要参数之一，尤其在涉及气体压缩、流动分离、燃烧过程等领域具有关键作用。

特点与应用：

在轴流压缩机中，轴向速度随着叶片的运动而逐渐加速，是气体压缩过程的关键指标。
在旋风分离器、燃烧器等设备中，轴向速度分布对分离效率、燃烧稳定性等具有重要影响。
通过测量轴向速度，可以间接获得回流区的多项参数，对于描述回流区特性具有重要意义。

等效排气速度

定义：

等效排气速度（或比冲）是一个用于描述发动机性能的参数，它等于发动机推力与单位时间内消耗的质量之比，通常以米/秒或英尺/秒表示。在火箭发动机中，等效排气速度反映了工质被加速到排气口的速度，是衡量发动机效率的重要指标。

特点与应用：

等效排气速度越高，意味着发动机在消耗相同质量工质的情况下能够产生更大的推力。
在火箭发动机设计中，提高等效排气速度是提升发动机性能的关键途径之一。
等效排气速度不仅与发动机的结构设计有关，还与工质的性质、燃烧过程等因素密切相关。

两者关系与区别

定义与性质：轴向速度描述的是流体在特定轴向上的运动速度，而等效排气速度则是衡量发动机推力与工质消耗之间关系的参数。
应用场景：轴向速度广泛应用于流体力学、压缩技术、燃烧过程等领域；而等效排气速度则主要用于描述火箭发动机等推进系统的性能。
计算方式：轴向速度通常通过直接测量或数值模拟获得；而等效排气速度则需要根据发动机推力、工质质量流量等参数进行计算。

综上所述，轴向速度与等效排气速度是流体力学和推进技术中两个不同但相关的概念。了解它们的定义、特点和应用场景有助于更准确地理解和分析相关领域的问题。

飞行器每一级的质量比

是一个复杂而重要的设计参数，它直接关系到飞行器的性能、效率和成本。质量比通常指的是飞行器某一级在发射前与发射后的质量之比，或者是该级燃料质量与结构质量（包括有效载荷）之比。这里我们主要讨论后者，即燃料质量比与飞行器总质量或结构质量的关系。

一、飞行器质量比的定义

飞行器质量比是指飞行器在某一特定状态下（如发射前、某一级燃烧前后等），其燃料质量与结构质量（包括有效载荷）之间的比值。这个比值反映了飞行器携带燃料的能力与其自身重量之间的平衡。质量比越高，意味着飞行器在相同结构质量下可以携带更多的燃料，从而增加飞行距离或提升性能。

二、飞行器质量比的影响因素

设计需求：飞行器的设计需求（如航程、载重、速度等）直接决定了其质量比的需求。例如，长途航行的飞行器需要更高的质量比来携带足够的燃料。
燃料类型：不同燃料的能量密度不同，因此使用高能量密度的燃料可以提高质量比。
结构设计：飞行器的结构设计对其质量比也有重要影响。轻量化材料和先进的设计方法可以降低结构质量，从而提高质量比。
推进系统：推进系统的效率也直接影响到质量比。高效的推进系统可以使用更少的燃料达到相同的推力效果。

三、飞行器质量比的实例分析

以参考文章1中的客机设计为例，该客机在设计过程中考虑了多种质量比的计算和优化。其中，空机质量比（空机质量/最大起飞质量）被设定为0.52，燃油质量比（燃油质量/最大起飞质量）被初步设定为0.35。然而，在实际计算过程中发现这些初步设定并不能满足航程需求，因此通过Breguet航程方程重新计算并调整了燃油质量比至0.413。最终得出的最大起飞质量为114348kg，空机质量为54658kg（或55178kg考虑飞行员及客舱服务），燃油质量为49570kg。

这个例子说明了在实际设计过程中，飞行器每一级的质量比需要根据具体的设计需求和性能目标进行反复计算和优化。