火箭推进基础技术系统介绍.docx

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1、火箭推进基础技术系统介绍目录1 .火箭推进原理12 .运动方程23 .多级火箭44 .火箭功率和动态转换效率45 .火箭燃料和氧化剂55.1.液体燃料和氧化剂55.2.低温燃料和氧化剂55. 3.固体燃料和氧化剂66. 4.自燃推进剂67. 土星五号燃料选择68. 火箭发动机泵，燃烧室和喷嘴71. 1.推进剂泵87. 2.喷油器板97 .3.喷嘴98 .脉冲、推力和燃油性能108. 1.冲动109. 2.推进剂密度1110. 土星VS-IC发动机性能1111. 一些液体和固体燃料特性131.火箭推进原理火箭的作用依赖于牛顿第三运动定律：“对于每一个动作，都有一个相等和相反的反应。在火箭发动机中

2、，燃料和氧化剂（统称为推进剂）在燃烧室中结合，在那里它们发生化学反应形成热气体，这些热气体迅速膨胀，然后加速并通过喷嘴高速喷射，从而向发动机传递相反方向的动量。vvvSystemofinterestattSystemofinterestatf+fm-mRocketfree-bodydiagramreacW(a)(b)代系娥术交加2.运动方程火箭可以被认为是携带小单位推进剂并以V速度行进的大物体。由于从火箭排气中排出推进剂而产生的反应导致火箭的速度增加。假设环境压力没有变化，火箭和排出的推进剂的动量守恒给出：(M+dm)V=M(V+dv)+dm(V-Ve)(2-1)式中：M=火箭及其燃料的总剩余

3、质量dm=通过排气喷嘴向后喷射的质量或给定时间段内的质量变化。V=火箭在喷射推进剂之前的初始绝对前进速度dv=由于废气喷射而导致火箭前进速度的增加Ve=推进剂相对于火箭离开火箭发动机的排气速度。简化我们可以得出以下内容：dmVe=Mdv(2-2)除以dt得到瞬时速率并代入牛顿定律a=dvdt火箭的加速度F=M.a作用在火箭上的力或推力这给了DM/DToVe=M.dv/dt=M.a=F=力或推力式中dmdt=喷射的燃烧燃料质量的质量流量。因此，火箭上的瞬时推力与燃料质量流量或燃烧速率成正比。对于较长时间内速度的变化，我们必须考虑火箭在消耗燃料时总质量的减AdM,并在这段时间内整合速度随时间的变化

4、。从上面：排出的质量=火箭质量及其推进剂负载的减少或dm=-dM-(2-3)和dv=Vedm/M(2-4)因此dv=-VedMM-(2-5)因此Vf-Vi=-Ve(InMJif=-Vef1nMf-InMi)=Ve1n(MiMf)(2-6)式中：Vi=火箭的初始速度Vf=火箭的最终速度In=自然对数函数Mi=火箭的初始质量，包括其有效载荷及其所有推进剂Mf=火箭及其有效载荷(包括剩余推进剂)的最终质量Mi/Mf被称为火箭的质量比这被称为齐奥尔科夫斯基方程请注意，尽管(推进剂)的更大初始质量会增加质量比，但这种关系不是线性的，并且由于可用燃料的增加而导致的速度增加随着初始质量Mi的增加而成比例地变

5、小。这是因为必须使用一些额外的推进剂来加速额外燃料本身的质量。3 .多级火箭多级火箭是齐奥尔科夫斯基的另一个想法，它将推进器分成多个阶段，每个阶段都有独立的火箭发动机，推进剂罐和泵或加压系统。这些阶段可以像将宇航员带到月球的阿波罗太空飞行器那样“堆叠”，也可以像航天飞机那样“背负”。当第一阶段的推进剂用完时，该级被抛弃，推进力被后续级接管，这样后期阶段就不必浪费能量加速被抛弃级的无用质量。通过这种方式，可以在相同的初始车辆重量、有效载荷重量和推进剂容量下实现更高的速度和航程，或者可以用较小的初始重量承载更大的有效载荷。4 .火箭功率和动态转换效率火箭发动机功率P=每秒输送到废气流的最大可用动能

6、。P=1/2dmdtVe2(4-1)车辆动力Pm=传递到车辆以驱动车辆前进的动力Pm=FV(4-2)这意味着火箭在任何时刻的功率都取决于其速度，当前进速度为零时为零，就像在升空时一样。一旦火箭开始移动，可用的动能和功率就会在排气流和火箭飞行器之间分配。因此P=Pm+Pe(4-3)因此Pe=1/2dm/dt(Ve-V)2(4-4)其中Pe是排气流中的剩余功率效率忽略推进剂泵送功率、摩擦损耗和喷嘴设计效率等寄生效率损失，将废气流中的能量转化为火箭前进运动的转换效率由下式给出，=Pm/P(4-5)式中=转换效率因此=FV/(FV+dm/dt(V-Ve)22)(4-6)请注意，效率取决于火箭的速度，当

7、V=Ve时最大，即当火箭的前进速度等于火箭的排气速度时。用F/Ve代替dm/dt上述等式简化为：=2(VVe)/(1+(VVe)2)(4-7)这仅从速度方面提供了火箭效率的衡量标准。U11age发动机是用于在第一级燃尽后通过暂时加速第二级向前的火箭发动机在多级液体燃料火箭中提供人造重力的火箭发动机。在外层空间的失重环境中，需要这种向前推力的力矩，以确保第二级液体推进剂处于被吸入泵的适当位置，并且在启动第二级发动机之前，油箱中液体上方的气态区不在泵输入旁边。额外的推力也有助于在阶段之间实现干净的分离。5 .火箭燃料和氧化剂5.1. 液体燃料和氧化剂罗伯特戈达德(RObertGOddard)于19

8、26年开创的液体推进剂相对安全，易于控制，易于启动和停止。然而，他们需要一个复杂的泵送系统、压力控制、阀门和进料系统，将推进剂输送到燃烧室，所有这些都会降低质量比，从而降低系统的效率。5. 2.低温燃料和氧化剂一些最高能量的液体推进剂具有非常低的沸点。例如，液氢(1Hz)燃料的沸点为-252.9OC,液氧(1Oj等氧化剂的沸点为183。金以气态形式使用这些高能量密度推进剂是不切实际的，因为它们需要的巨大机载储罐和泵送系统太大太重。即使是液体形式，使用这些推进剂也存在困难，因为储罐可能需要绝缘，并且泵必须在非常低的温度下工作，整个泵体的温度梯度非常高。安全、处理和储存也是令人关切的问题。然而，当

9、可控时，使用低温推进剂，最大推力是优先事项。6. 3.固体燃料和氧化剂固体推进剂发动机将燃料和氧化剂都包含在一种称为谷物的电荷中，该电荷储存在燃烧室内。这些电机由中国人于1150年发明，结构紧凑，重量轻，不需要泵，阀门或进料系统，因此它们具有非常高的质量比和单位体积推力，但由于同样的原因，它们难以控制。一旦燃烧开始，即使不是不可能，也很难停止，直到所有燃料都消耗殆尽。7. 4.自燃推进剂自燃推进剂是燃料和氧化剂的组合，在室温下为液体，彼此接触时自燃。它们易于控制、启动、停止和重新启动。有些组合具有剧毒和腐蚀性。适用于必须在太空中点燃或多次重新操作的发动机。消除点火器消除了一个重要的不可靠性来源

10、。8. 土星五号燃料选择土星五号主发动机的燃料氢气(1H2)与煤油(RP1)火箭燃料提供的推力与燃料及其推进剂的能量密度以及燃料燃烧的速率成正比。虽然液氢(1%)在所有燃料中具有最高的能量密度(每单位质量的能量)，比煤油高出30%以上，但它的物理密度(每单位体积的质量)也最低，仅为RP1密度的十二分之一。因此，RP-I每单位体积的能量含量高于1H2，而1H2每单位质量的能量更高。这意味着为了提供与RP-I相同的能量含量，与煤油燃料供应所需的油箱，管道和泵以及容纳和运输物理密度较低的1Hz所需的结构相比，将不成比例地大。这增加了火箭的最终(非燃料)质量，从而降低了其质量比，从而降低了转换效率。当

11、需要最大推力时，在升空时尽量减少这种非燃料质量尤为重要，这就是为什么RP-1被认为是一种替代品的原因。然而，对于较低的推力水平，与使用能量密度更高的氢燃料获得的收益相比，供应液氢所需的燃料供应系统相对较高的质量不那么显着，并且当较高的能量(尽管物理密度较低)时，随着所需推力的减小，会出现一个交叉点。氢成为更节能的选择。这是因为包含密度较低的氢气所需的燃料系统的体积随着线性维度的立方而增加，但其燃料容器和管道的重量(大致取决于它们的表面积)仅随着线性维度的平方而增加。对于非常高，长时间的推力，例如土星五号运载火箭的S-1C第一级所需的推力，以使重型阿波罗太空飞行器离开地面，使用较轻的氢气作为燃料

12、将需要不切实际的大而重的机载燃料供应系统。出于这个原因，煤油及其更轻，更紧凑的燃料供应系统组件被用来为S-IC中使用的F-I火箭发动机提供动力。一旦重型第1级被抛弃并且火箭在大大降低的重力下运行，所需的推力就会减少，氢气成为为土星五号较轻的2级(S2)和第11级(S3VB)提供动力的J-1发动机燃料的最有效选择。为土星五号上使用的各种其他推进器和阿波罗11号航天器上使用的火箭发动机选择的专用推进剂的详细信息在下表中给出关于阿波罗H号火箭发动机。9. 火箭发动机泵，燃烧室和喷嘴RocketMotor9.1. 推进剂泵液体燃料火箭发动机的一个重要组成部分是将推进剂（燃料和氧化剂）输送到燃烧室的手段

13、。低推力火箭中使用的最简单的方法是用压缩空气或氮气等气体对燃料和氧化剂罐加压，但对于大多数液体燃料火箭，所需的高推进剂流速由机载涡轮泵提供。9.2. 喷油器板喷油器板是一种无源装置，具有三个用途。它将液体推进剂分解成微小的液滴，以帮助和加速燃烧，它使燃料与氧化剂均匀混合，并确保燃料的稳定、受控燃烧，防止推进剂的爆炸性燃烧。9.3. 喷嘴喷嘴的目的是促进废气的等燧（恒定端）膨胀。随着气体膨胀，其压力下降，但由于总能量没有变化，其速度（动能）增加以补偿压力能量的减少。因此，有两个因素会影响发动机推力，即从排气中高速喷射的气体颗粒的动能，以及废气压力与作用在喷嘴出口区域的大气环境压力之间的压差。该关

14、系如以下等式所示。发动机推力F=dm/dt。Ve+Ae（Pe-Pa）式中dmdt=推进剂每秒质量流量Ve=喷嘴出口处的气体（排气）速度Ae=喷嘴出口面积Pe=喷嘴出口处的气体压力Pa=大气的环境压力第一项称为动量推力，第二项称为压力推力。仅考虑压力推力，由于环境压力随高度而降低，在压力为零的自由空间真空中，火箭推力将比海平面推力增加至最大15%至20%o（相比之下，喷气发动机的推力在自由空间中随着高度而降低到零，因为它取决于其作为燃料氧化剂的空气推力。另一方面，火箭随身携带氧化剂。然而，废气的动量在产生推力方面比排气出口处的压力差更有效，因此压力能量在喷嘴中转化为动能越多，喷嘴的效率就越高。因

15、此，矛盾的是，当排气压力等于环境压力时，就会发生最大推力。有效排气速度Ve是喷嘴几何形状的函数，例如喷嘴膨胀比Ae/At其中at=喷嘴喉部面积10. 冲、推力和燃油性能8. 1.冲动对于恒定的推力F,发动机或推进剂在特定周期t内提供的脉冲I定义为;1 =Ft（8-1）比冲Is是产生的推力与推进剂（燃料加氧化剂）的重量流量之比。它是衡量特定燃料和氧化剂组合将其化学能转化为有用功的潜在有效性的指标，因此是比较燃料效率的便捷方法。它被定义为（以英制单位）为：比冲二推力（磅）推进剂消耗量（磅/秒）或Is=F/（dwdt）（8-2）其中：Is=比冲以时间单位（秒）表示F=推力W=燃料和氧化剂的总重量dwdt=每秒推进剂消耗量在国际SI或MKS单位中，这种关系变为：Is=F/(dmdt),g0(8-3)重新排列，这变成：F=Is(dmdt),g0(8-4)其中：F=推力(以牛顿为单位)