火箭发动机概论.doc

火箭发动机概论(1)
    真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战时的法西斯德国。早在1932年德国就发射了A2火箭,飞行高度达为3公里。1942年10月发射成功V2火箭(A4型),飞行高度85公里,飞行距离190公里。V2火箭的发射成功,把航天先驱者的理论变成现实,是现代火箭技术发展史的重要一页。下面介绍一些关于火箭的最基本知识。早在1903年齐奥尔科夫斯基就推导出单级火箭的理想速度公式V=ωInMo/Mk被称为齐奥尔科夫斯基公式。ω为发动机的喷气速度。Mo和Mk分别是火箭的初始质量和发动机熄火(推进剂用完)时的质量,Mo/Mk被称为火箭的质量比。由这个公式可知,火箭的速度与发动机的喷气速度成正比,同时随火箭的始末质量比(的自然对数)增大而增大。如果使用性能最好的液氢液氧推进剂,—。因此,单级火箭不可能把物体送入太空轨道,必须采用多级火箭,以接力的方式将航天器送入太空轨道。 
    根据上面的公式,再利用牛顿定律可以求得火箭发动机的推力为F=ωdm/dt,dm为喷出气体的质量,dt为单位时间,那么dm/dt也叫做燃料的燃烧速率。上式表明火箭发动机的推力与燃料的燃烧速率以及喷出气体的相对速度成正比。现在我们把推力与推进剂每秒消耗量之比称为比冲,它是推进系统燃烧效率的描述。比冲越高,射程越远,也就是燃料越省。通常定义为单位质量的推进剂所能带来的冲量(动量的改变),单位为米/秒(m/s)或牛
·秒/千克(N·s/kg),工程上****惯使用秒(s)。比冲越高代表效率越好,亦即可以用相同质量的燃料产生更多的动量。比冲是发动机性能的主要指标,其高低与发动机设计、制造水平有关,但主要取决于所选用的推进剂的性能。要获得高比冲推进剂,要求推进剂具有高的化学能、高的燃烧效率和高的喷管效率,喷管形状直接影响比冲的大小。一般火箭的第一级要的是推力,如“土星”5号火箭启程登月时,5台发动机每秒钟消耗近3吨煤油,它们产生的推力相当于32架波音747的起飞推力。第二级和第三级要的是速度,提高喷气速度,减少燃料消耗。 
    多级火箭各级之间的联接方式,有串联、并联和串并联几种。串联就是把几枚单级火箭串联在一条直线上,并联就是把一枚较大的单级火箭放在中间,叫芯级。在它的周围捆绑多枚较小的火箭,一般叫助推火箭或助推器,即助推级;串并联式多级火箭的芯级也是一枚多级火箭。多级火箭各级之间、火箭和有效载荷及整流罩之间,通过连接—分离机构(常简称为分离机构)实现连接和分离。分离机构由爆炸螺栓(或爆炸索)和弹射装置(或小火箭)组成。平时,它们由爆炸螺栓或爆炸索连成一个整体;分离时,爆炸螺栓或爆炸索爆炸,使连接解锁,然后由弹射装置或小火箭将两部分分开,也有借助前面一级火箭发动机启动后的强大射流分开的。
逃逸塔
    载人的火箭还有逃逸塔,逃逸塔在火箭的最顶端,它的任务是在火箭起飞前900秒到起飞后360秒时间段内,也就是飞行高度在0公里至110公里时,万一火箭发生故障,它的顶端的火箭推进器可以拽着轨道舱和返回舱与火箭分离,并降落在安全地带,帮助飞船上的航天员脱离险境。2008年9月25日,我国发射“神舟7号”的“长征2F”火箭,就用到了逃逸塔,逃逸塔上有两组11个火箭推进器,在发射120秒时抛掉。火箭技术是一项十分复杂的综合性技术,主要包括火箭推进技术、总体设计技术、火箭结构技术、控制和制导技术、计划管理技术、可靠性和质量控制技术、试验技术。 
    火箭最关键的还是发动机,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。基本原理是燃料在火箭发动机内转化为工质(工作介质)的动能,形成高速射流排出而产生动力。 
    火箭发动机按燃料可以分为化学火箭发动机、核火箭发动机和电火箭发动机。化学火箭发动机是目前技术最成熟,应用最广泛的发动机。核火箭的原理样机已经研制成功。电火箭已经在空间推进领域有所应用。后两类发动机比冲远高于化学火箭。化学火箭发动机主要由燃烧室和喷管组成,化学推进剂既是能源也是工质,它在燃烧室内将化学能转化为热能,生成高温燃气经喷管膨胀加速,将热能转化为气流动能,以高速(1500—5000米/秒)从喷管排出,产生推力。化学火箭发动机按推进剂的物态又分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机。液体火箭发动机使用常温液态的可贮存推进剂和低温下呈液态的低温推进剂,具有适应性强、能多次起动等特点,能满足不同运载火箭和航天器的要求。固体火箭发动机的推进剂采用分子中含有燃料和氧化剂的有机物胶状固溶体(双基推进剂)或几种推进剂组元的混合物(复合推进剂),直接装在燃烧室内,结构简单、使用方便、能长期贮存处于待发射状态,适用于各种战略和战术导弹。混合推进剂火箭发动机极少使用。