火箭發動機
火箭發動機是噴氣發動機的一種,將推進劑箱或運載工具內的反應物料(推進劑)變成高速射流,由於牛頓第三定律而產生推力。火箭發動機可用於航天器推進,也可用於導彈等地面應用。大部分火箭發動機都是內燃機,也有非燃燒形式的發動機[1]。
目錄
工作原理
大部分發動機靠排出高溫高速尾氣來獲得推力,固體或液體推進劑(由氧化劑和燃料組成)在燃燒室中高壓(10-200 bar)燃燒產生尾氣。
液體火箭[2]通過泵將氧化劑和燃料分別泵入燃燒室,兩種推進劑成分在燃燒室混合併燃燒。而固體火箭的推進劑事先混合好放入儲存室,工作時儲存室就是燃燒室。固液混合火箭使用固體和液體混合的推進劑或氣體推進劑,也有使用高能電源將惰性反應物料送入熱交換機加熱,這就不需要燃燒室。
火箭推進劑在燃燒並排出產生推力前通常儲存在推進劑箱中。推進劑一般選用化學推進劑,在經歷放熱化學反應後產生高溫氣體用於火箭推進。
推進劑效率
要使發動機有效利用推進劑,需要用一定質量的推進劑產生最大可能壓力作用於燃燒室和噴嘴,此外以下方法也能提高推進劑效率:
將推進劑加熱到儘可能高的溫度(使用高能燃料、氫,碳或某些金屬如鋁,或使用核能)
使用小分子推進劑(或能分解成小分子的推進劑)
因為所有的措施都是出於減輕推進劑質量的考慮;壓力與被加速的推進劑量成比例關係;也因為牛頓第三定律,作用於發動機的壓力也作用於推進劑。廢氣出燃燒室的速度似乎是由燃燒室壓決定的。然而該速度明顯受上述三種因素影響。綜合起來,排氣速度就是檢驗發動機效率的最好證明。
由於空氣動力的原因,廢氣在噴口產生阻流效應。音速隨溫度平方根增長,因此使用高溫尾氣能提高發動機性能。在室溫下,空氣中的音速為340m/s,而在火箭的高溫氣體中可達1700m/s以上,火箭的大部分性能都是由於高溫。加之火箭推進劑通常選用小分子,這也使得在同等溫度下,廢氣中音速高於空氣中音速。
噴嘴的膨脹設計使排氣速度翻倍,通常是1.5至2倍,由此產生准高超音速排氣射流。速度的增量主要由面積膨脹比決定,即噴口面積與噴嘴出口面積的比值。而氣體的性質也很重要。大膨脹比的噴嘴尺寸更大,但能使廢氣釋放更多的熱,由此提高排氣速度。
噴嘴效率受工作高度影響,因為大氣壓力隨高度升高而降低。但由於尾氣是超音速的,因此射流的壓力只會低於或高於圍壓,不能與之平衡。
如果尾氣壓力與圍壓不同,尾氣就可以成為完全膨脹,或過度膨脹。
視頻
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參考文獻
- ↑ 中國火箭發動機排名墊底,原因沒有那麼簡單 ,搜狐,2019-3-13
- ↑ 小科普:說說固體火箭和液體火箭的區別,種種細節你都知道嗎? ,搜狐,2019-10-29