液体火箭推进原理示意图
水火箭的原理
水火箭的原理水火箭原理：利用少量受控的燃料与水的反作用力实现腾空攀登。
水火箭，也称为水烟火箭，是一种利用热空气与水推动箭体前进的发射系统。
水火箭包括一个发射管，里面装有水，烟火及助燃剂。
当水被加热，气体发生反应，压力会通过管道产生推力，使水火箭发射。
1. 原理水火箭的原理可以总结为“水烟火-内燃-反作用”原理。
它通过喷出热气体来推进，在发射过程中，发射管中的水会按照特定比例和烟火及助燃剂一起被加热，然后被推向管道外，迅速地生成高温、高能热气体。
给予箭体一瞬间的反作用力，使箭体以成倍的速度往前飞。
2. 装配水火箭构件由发射装置、助燃系统、烟火、火药等几部分组成，其中，发射装置主要由箭长、发射管、管接头、发射座等组成。
发射装置由管道组成，其中助燃装置用于把烟火和助燃剂和水混合，以提供水火箭发射所需的能量和推力。
3. 气动学气动学是处理水火箭发射以及其中各种力的重要原理。
水火箭的能量主要来源于火药发生的化学能量，通过热空气的变化把这种能量变成机械能。
当热空气把水推向管外时，就会产生反作用力，使水火箭的速度和方向得以改变，在空气的抵抗力下，水火箭就能在一定的范围内飞行，达到目的地。
4. 益处由于受到空气阻力的限制，水火箭只能在较短距离上实现轻型发射作业。
但是，水火箭具有如下益处：（1）便宜：水火箭比其他发射系统更加经济实惠，易于制造和部署，不需要复杂的设备或系统；（2）轻便：发射系统结构简单，重量较小，易于装运和安装；（3）可控：水火箭通常使用较少的控制系统，可以实现更严格的控制要求；（4）安全：水火箭弹体在着陆时不会释放任何有毒物质，并且只会燃烧推进时产生的少量烟尘。
总之，水火箭是一套经济实惠、轻便、安全可靠的发射系统，它的原理也是利用热空气与水推动箭体前进的反作用原理。
如果正确的使用，会在发射过程中节约能源，有效的支持空间任务完成。
水火箭发射原理
水火箭发射原理
水火箭是一种利用水和空气压力产生推力的简易火箭发射装置。
它的工作原理基于牛顿第三定律，即每个作用力都有一个相等的反
作用力。
当水和空气被释放时，它们会产生一个向下的推力，同时
也会产生一个向上的反作用力，从而推动火箭向上飞行。
首先，水火箭的发射装置包括一个密封的水箱和一个压缩空气
的压力筒。
当水箱被充满水后，压力筒被注入压缩空气，使水箱内
的水受到压力。
当发射按钮按下时，水箱底部的阀门会打开，释放
水流，同时压力筒内的压缩空气也会被释放，将水推出水箱。
其次，水被释放后，它会迅速蒸发成水蒸气，并与释放的压缩
空气混合。
这个过程会产生一个非常高的压力，将水火箭推向空中。
这种推力产生的原理与传统的火箭发动机相似，只是它使用水和压
缩空气而不是化学燃料。
在水火箭发射的过程中，有几个关键的物理原理需要考虑。
首
先是牛顿第三定律，即每个作用力都有一个相等的反作用力。
当水
和空气被释放时，它们会产生一个向下的推力，同时也会产生一个
向上的反作用力，从而推动火箭向上飞行。
其次是气体动力学，即
当水蒸气和压缩空气混合时，会产生一个高压区域，从而产生推力。
最后是质量守恒定律，即在发射过程中，水和空气的质量总和保持
不变，只是它们的状态发生了改变。
总的来说，水火箭的发射原理是基于牛顿第三定律和气体动力
学原理的。
通过合理利用水和压缩空气的相互作用，可以产生足够
的推力，推动火箭向上飞行。
这种原理简单而有效，使得水火箭成
为一种受欢迎的科学实验和娱乐装置。
(精选幻灯片)科普知识讲座(火箭)
2020/2/4
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中国“长征号”系列 长征六号系列
长征六号（CZ-6）是由上海航天技术研究院研制的新一代 无毒无污染小型低温液体运载火箭，主要用于发射太阳同 步轨道卫星。火箭具备适应简易设施发射的能力，可实现 快速发射。
2020/2/4
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中国“长征号”系列 长征七号系列
长征七号运载火箭 （CZ-7）是由中国运 载火箭技术研究院研 制的新一代高可靠、 高安全的中型液体运 载火箭，主要用于发 射天舟货运飞船，以 满足中国载人空间站 建设的需求
2020/2/4
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中国“长征号”系列 长征三号系列
长征三号系列运载火箭拥 有“长征三号”、“长征 三号甲”、“长征三号 乙”、“长征三号丙”等 型号，主要承担高轨道的 发射任务。其中“长征三 号甲”、“长征三号乙”、 “长征三号丙”又可统称 为长征三号甲系列运载火 箭。另有计划中的“长征 三号丁”、“长征三号E”。
按用途不同分为卫星运载火箭、布雷火箭、气象火箭、防 雹火箭以及各类军用火箭等。
按有无控制分为有控火箭和无控火箭。
按级数分为单级火箭和多级火箭。按射程分为近程火箭、 中程火箭和远程火箭等。
火箭的分类方法虽然很多，但其组成部分及工作原理是基 本相同的。
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固体火箭是如何推进的？
固体火箭的推进剂为固体，这种推 进剂又称为“火药”，火药铸成块状， 排放在箭体内，占了大部分空间。固体 火箭结构简单，制作方便，装入火药后 可以长期存放，随时可以点火；点燃后 燃烧时间短，燃烧的激烈程度无法控制， 发射时震动大，因此它不适于发射载人 的飞行器，多用于军事方面。
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中国“长征号”系列 长征一号系列
液体火箭发动机设计实例
• 第5步，选择燃烧室材料，计算壁厚
• 燃烧室侧壁厚度必须能够承受高温燃气造 成的内部高压，燃烧室壁还必须具有冷却 系统。燃烧室壁还必须满足焊接的工艺需 求。
• 一个小型水冷燃烧室的典型材料是铜，允 许工作压力是约 8000磅。
• 由于室壁为圆柱壳体，在壁上的允许的工作压力S 是由下式决定。
• 其中 • P 是在燃烧室的压力（忽略冷却液压力壳外） • D 是圆柱体的平均直径 • tw是筒壁厚度。
• 第8步 计算冷却通道
– 燃烧室壁和外套之间的环形流道的大小必须能 容纳流速达到9米/秒的冷却水。这个速度是由 流道尺寸决定，如下：
– VW = 9米/秒，WW=0.775磅/秒，ρ=62.4 lb/ft3， 环形流道面积A：
–
– 其中，D2是外套的内径，D1是燃烧室的外径，鉴 于
– 再代入上述方程：
– 每加仑汽油有六磅，则雾化喷嘴流量的要求是 每分钟0.22加仑（Gpm）。 现在可以从供应商 的产品中选择，喷嘴材料选择黄铜，以确保足 够热量能从喷注器传入推进剂。
– 采用撞击射流式喷注器，所需的喷注器孔的数 量和大小如下：
– 燃油喷射流面积由公式（25）得出：
– 我们将假设流量系数Cd= 0.7，喷注压降100磅。 汽油的密度大约是44.5 lb/ft3，使：
• 因此雾化喷嘴一直对业余爱好者有较强的吸引力。
• 对于工业成品雾化喷嘴，业余只需要根据发动机的 设计，确定所需的大小和喷雾特性，然后可以用较 低的成本购买。
• 强烈建议制作业余火箭发动机使用第二种喷注器。
• 第10步 计算汽油喷嘴
– 这种小型火箭发动机的燃料喷注器是一个工业 成品75°雾化角喷嘴。所需的喷嘴的型号由燃 料流量决定。
火箭发动机课件2014
冲压发动机模式： Ma>3
按结构布局分为：串联式布局和并联式布局
串联式布局的TBCC
并联式布局的TBCC
特点
利用空气中的氧，能自主起飞和着陆，飞行轨迹灵活
潜在用途
轨道飞行器的第一级动力系统 低成本高速飞行试验平台的动力系统 高速侦察机的动力系统 高速巡航导弹的动力系统
1.4.2火箭基组合循环发动机(RBCC)
一种典型的RBCC方案
1.4.3涡轮基组合循环发动机（TBCC） TBCC(Turbine Based Combined Cycle) 定义：将涡轮或涡扇发动机和冲压发动机组合起来形成 的具有多种工作模式的发动机。
涡轮或涡扇发动机模式：起飞或加速段，Ma≤3
1.4.2火箭基组合循环发动机(RBCC) RBCC(Rocket Based Combined Cycle) 定义：将传统的火箭发动机和吸气式发动机组合在一起, 形成的具有多种工作模态的发动机，在不同的飞行阶 段启用不同的飞行模式，以达到发动机的最佳性能。 火箭引射模态：Ma<3 亚燃冲压模态： 3<Ma<5 超燃冲压模态：6<Ma<10 纯火箭模态： Ma>10
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1.4 组合发动机
1.4.1 固体火箭冲压发动机(SDR)
SDR(Solid Ducted Rocket)
燃气发生器 助推器 尾喷管
进气道
点火器
冲压燃烧室
整体式固体火箭冲压发动机示意图
非整体式固体火箭发动机示意图
SDR分为整体式固体火箭冲压发动机(ISPR—Integral Solid Propellant Ramrocket)和非整体式固体火箭冲压发动机。 整体式：固体助推器和冲压发动机共用一个燃烧室 非整体式：助推器自成一体，与冲压发动机无关， 其可与固体火箭冲压发动机串联或并联， 也可装于补燃室内，工作完抛出。
实践活动——水火箭(液体火箭推进器)的制作
实践活动——水火箭(液体火箭推进器)的制作一、活动目标1.通过水火箭制作与发射活动，初步了解火箭发射的有关科学知识，懂得航天火箭的原理2.在实践的过程中，培养在实践中反复探究、遇到问题采取反复实践、借助已有生活经验、学习他人经验等方法去再创造，不断解决问题的能力3.了解我国目前常用的火箭推进剂的类型、成分和特点二、活动背景1.我国目前常用的火箭推进剂的类型、成分和特点，目前，火箭推进剂主要有三种类型：液体推进剂、固体推进剂和混合型推进剂。
(1)液体推进剂液体推进剂，比较常用的有：四氧化二氮－肼类(偏二甲肼，一甲基肼，肼)，液氧－煤油，液氢－液氧等。
四氧化二氮－肼类推进剂被广泛使用，特点是可在室温下储存，技术成熟，可靠性高。
但其燃烧效率比较低且有毒污染环境。
液氧－煤油推进剂作为常温推进剂，使用方便，安全性好，且价格便宜。
液氢－液氧推进剂这种组合是当前最有潜力的组合，其燃烧效率很高，清洁无污染。
但是价格昂贵，储存、运输、加注、发动机制造都要求更高。
(2)固体推进剂固体推进剂是燃料和氧化剂的混合体。
固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。
固体推进剂火箭主要的优点是结构简单，成本相对较低，使用非常安全，瞬间的爆发推力巨大，缺点是推力无法调节并且推进效率低。
(3)混合推进剂混合推进剂是液体和固体推进剂的混合体。
它能够像液体火箭发动机那样进行推力调节，系统比较简单。
但混合推进剂火箭发动机的燃速低，燃烧不均匀，效率低。
2.水火箭(液体推进剂)的原理用塞子塞紧的雪碧瓶，形成一个封闭的空间．把气体打入密闭的容器内，使得容器内空气的气压增大，当超过橡皮塞与瓶口接合的最大程度时，瓶口与橡皮塞自由脱离，箭内水向后喷出，获得反作用力射出，从而是火箭的箭身升空三、活动形式每组8-10人，自愿组合，每组推选一名组长。
四、实验过程1、取出其中一个雪碧瓶，剪取圆滑的一段。
2、将第二个雪碧瓶倒过来．将截取段分别连在瓶底和瓶口处，用胶布连牢。
火箭发动机课件
喷气发动机可分为： 空气喷气发动机：喷射的工质是利用大气层中的空气与发 动机所携带的燃料燃烧产生的，因此，其只能在大气层中工作。 火箭发动机：喷射的工质是利用自身携带的氧化剂和燃料 燃烧产生的，因此，既能在大气层中工作又能在大气层外工作。 组合发动机:指两种或两种以上不同类型发动机的组合。
1—燃烧挤贮箱； 3—增压阀门； 5—齿轮箱； 7—燃烧剂泵； 9—推力室； 11—蒸发器；
2—氧化剂贮箱； 4—涡轮； 6—氧化剂泵； 8—主阀门； 10—燃气发生器； 12—火药启动器
图1.2 液体火箭发动机示意图
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分类
1）按推进剂组元数目分为：单组元、双组元、三组元液体火箭发动机 2）按推进剂类型分为：可贮存推进剂、自燃和非自燃推进剂、低温推
1.3.1 电热型电火箭发动机
T图1-11
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1.3.2 静电型电火箭发动机
图1-12
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1.3.3 电磁型电火箭发动机
图1-13
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图1-14
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1.4 组合发动机
1.4.1 固体火箭冲压发动机(SDR) SDR(Solid Ducted Rocket)
燃气发生器
助推器
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动力装置的比冲与飞行马赫数的关系
1.1 化学火箭发动机
• 工作原理
燃烧室中
喷管中
化学推进剂
高温燃气
燃烧反应
膨胀加速
反作用 射流
推力
• 分类
液体推进剂 火箭发动机
化学 火箭发动机
固体推进剂 火箭发动机
混合推进剂 火箭发动机
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1.1.1 液体火箭发动机
火箭发动机结构与设计-液体火箭发动机总体设计
一、绪论火箭发动机是一个依靠推进剂燃烧产生高压气体，并通过一个特殊形状的喷嘴膨胀而产生推力的简单设备。
液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。
液体火箭发动机采用的液体推进剂，是在高压气体的挤压下进入燃烧室的。
推进剂通常由液体氧化剂和液体燃料组成。
在燃烧室内，推进剂通过化学反应（燃烧）的形式，将气体燃烧产物加压和加热，并通过喷嘴高速喷出，从而传递给发动机一个反向动量，使火箭获得推力。
一个典型的液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。
图1 液体火箭发动机示意图二、设计任务及要求提出并设计一个2~3级的液体火箭发动机方案，将一吨的有效载荷送至近地轨道。
推力等参数自定。
要求给出所选用推进剂种类，推力大小，比冲、总冲及推喷管面积比等发动机的基本参数。
三、设计思路1、选用二级液体火箭；2、发动机采用泵压式系统；3、选取氧化二氮、偏二甲肼为一级发动机推进剂，选取液氧、煤油作为二级发动机推进剂；4、确定发动机其他主要参数。
四、设计步骤1、确定火箭发射重量及推进剂质量设计要求将有效载荷为1t的载荷送入近地轨道，参照长征二号火箭CZ-5-200（近地轨道有效载荷1.5t，起飞质量82t）设定所需设计火箭总质量为64t；推进剂质量一般占火箭总质量85%~90%左右，依次为依据，设定推进剂质量为54.4t，则火箭结构质量（包括火箭发动机净重）为8.5t。
2、推进剂的选择根据中国典型液体火箭发动机性能参数表选取N2O4/偏二甲肼（YF-20）作为第一级发动机的推进剂，其真空推力为780kN，真空比冲为2840m/s，燃烧室压力为6.98MPa；选取选取液氢/液氧（YF-73）作为第二级发动机的推进剂，其真空推力为44.43kN，真空比冲为4119m/s，燃烧室压力为2.63MPa又根据齐奥尔可夫斯基公式V=∑I spi ln m oi m kini=1其中I spi—第i级发动机的真空比冲；m oi—第i级火箭的起飞质量；m ki—第i级的停火质量；n—火箭级数。
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第1级火箭 动力系统 第2级火箭
第3级火 箭
不采用4级火箭的原因
1.多级火箭采用发动机与1、2级火箭不同，级 数越多，要求的技术越高。
2. 需要解决发动机的高空启动技术。
3. 发射时的故障率以级数成几何增长。
例子：长征3号火箭一共发射12次，其中，第1、 8、11次失败，原因就是第3级火箭的发动机 发动失败及出现故障。
中国火箭发展状况
中国自1956年开始，展开现代火箭的研制工作。 1970年 4月24日长征1号运载火箭诞生，首次发射东方红1号卫星成 功 。 目前，中国长征系列运载火箭已研制成功7个型号。
长征1号
长征二号C型
长征三号A型
长征三号B型 长征三号C型
长征四号B型
现代火箭的特点及用途
早期的火箭主要用于战争
而今人们更注重它的 和平利用。例如发射 卫星、运送空间站等 等。
制导与控制系统 有效负荷
三级火箭的每一级都像一支独 立的火箭。发射时先点燃第一级火 箭，几分钟后这级火箭的燃料烧尽 自动脱落，同时引燃第二级火箭， 第二级火箭燃料烧尽后也脱落，第 三级火箭开始工作，直到把卫星、 飞船等送到预定轨道。 三级火箭像接力赛一样，都是 在前一级的速度基础上再加速。同 时，由于每一级脱落后都能使剩余 部分中有效载荷的质量的比例增加， 火箭结构部分的质量在逐级减小， 仅从这一点来看就比单级火箭优越 得多。
• 汽车使用的燃料是汽油和柴油，它们燃 烧的尾气中的主要污染物有一氧化碳、 未燃烧的碳氢化合物、氮的氧化物、含 铅化合物和烟尘等。
可吸入颗粒物来源:
• 提问引出：如何提高炉子的效率？ 你认为应该如何有效的利用能源？ 并对相关的环境保护问题提出可行性 建议。
（3）20世纪初，俄国著名科学家齐奥尔 科夫斯基从理论上证明了多级火箭可以 克服地球引力而进入太空，并建立了火 箭运动的基本数学方程，奠定了航天学 的基础。 1942年10月3日，德国首次成功 地发射了人类历史上第一枚弹 道导弹 -V-2 。
（4）第二次世界大战后在导弹的 基础上开始发展运载火箭。
提问：1 kg的煤炭和1 kg的天然气，燃烧 产生的热量一样多么？哪个放出的热量更 多？引出热值的概念，学会查找热值表， 熟悉热值的物 理意义。
• 提问：燃料燃烧时释放出的能量 是否等于按照理论热值计算出来 的热量？为什么？
未燃烧部分 散失热量部分 有效利用部分
• 对比机械效率得出炉子效率：炉 子有效利用的热量与燃料完全燃 烧放出的热量之比。 解释炉子热量损失的来源。
固体火箭推进原理示意图
仪器舱
燃料
燃料室
喷口
氧化剂
泵
液体火箭是如何推进的？
液体火箭的推进剂为液体，燃料和 氧化剂的组合情况很多，如酒精和液态 氧、煤油和液态氧、液态氢和液态氧等。 液体火箭燃烧时间长，便于控制，控制 推进剂的输送，可以使火箭停火、重新 点燃，从而控制火箭的飞行速度，操纵 很方便。液体火箭的燃料不易储藏，成 本很高。它是进行宇宙航行的主要交通 工具。
• 介绍使用燃料对环境的影响。
• 煤燃烧时会排放出二氧化硫（SO2）、二 氧化氮（NO2）等污染物。这些气体溶于 雨水，会形成酸雨。
直 接 燃 煤 及 其 缺 陷
• 酸雨的危害
森林受到酸雨破坏
酸雨对建筑物的破坏
• 酸雨的危害
左图摄于1908年，右图摄 于1968年，雕塑被酸雨腐 蚀得面目全非 乐山大佛遭酸雨腐蚀
火箭发展的历史
（1）火箭起源于中国
三国时代 的“燃烧箭”
（2）中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用 了串联（多级）和并联（捆绑）技术以提高火箭的 运载能力。 明代史记 中记载的 “神火飞 鸦”
"火龙出水"
“万户飞天”
相传在14世纪末期，中国有位称 为“万户”的人，两手各持一大风 筝，请他人把自己绑在一把特制的 座椅上，座椅背后装有47支当时最 大的火箭（又称“起火”）。他试 图借助火箭的推力和风筝的气动升 力来实现“升空”的理想。“万户” 的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命， 但他仍是世界上第一个想利用火箭 的力量进行飞行的人。今天，为了 纪念这位传奇式的人物，国际上将 月球表面东方海附近的一个环形山 以“万户”命名。
十二、在降至100公里时，返回舱进入再入姿态 调整，约8进入黑障区后，通信中断， 约40公里高度时，出黑障区，通信 恢复。
十四、在返回舱再入大气层后，着陆场地 面雷达站和测量站跟踪捕获目标，测量返 回轨道，预报返回舱着陆点。在约10公里 高度时，返回舱抛撒舱盖，拉出引导伞和 辅助引导伞。
现代火箭的燃料
固体火箭是如何推进的？
固体火箭的推进剂为固体，这种推 进剂又称为“火药”，火药铸成块状， 排放在箭体内，占了大部分空间。固体 火箭结构简单，制作方便，装入火药后 可以长期存放，随时可以点火；点燃后 燃烧时间短，燃烧的激烈程度无法控制， 发射时震动大，因此它不适于发射载人 的飞行器，多用于军事方面。
第十章
能及其转化
第五、六节 火箭 燃料利用 与环境保护
气球内充满了气体 把吹气口松开，气球内的气 体以很快的速度向外喷出。 喷出的气体对气球产生一 个向喷气的反方向的推力， 使气球飞出去。 作用力与反作用力 内能转化为机械能
• • • •
喷气式发动机的分类 空气喷气发动机 火箭喷气发动机 区别
古现代火箭发展史
五、助推器分离。 六、火箭一级二级分离，整流罩分离。
七、二级发动机关机，随后船箭分离。
八、飞船入轨。入轨后，飞船捕获地球，建立轨 道运行姿态，展开太阳电池帆板并对太阳定向。
九、飞船按预定轨道环绕地球飞行。
十、轨道舱与返回舱分离。
十一、建立返回制动姿态。飞 船制动进入返回轨道，返回舱 降低至140公里的高度时，推 进舱与返回舱分离。
液体火箭推进原理示意图
燃料 仪器舱
燃料室
喷口
氧化剂
泵
发射过程演示讲解 一、飞船和运载火箭在技术厂房按垂 直组装和垂直测试的一系列程序完成 技术准备工作后，整体垂直运输到脐 带塔，并进行最后的功能检查。
二、一切准备就绪后，火箭一 级发动机及4个助推器同时点 火 。 三、火箭升空，开始程序转弯。 四、火箭继续飞行，抛掉逃逸塔。