陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第2讲推力与喷气速度解析
火箭发动机原理
火箭发动机原理火箭发动机是一种能够产生推力的装置，它是现代航天技术中不可或缺的重要组成部分。
火箭发动机的工作原理主要是利用燃料和氧化剂的化学反应产生高温高压的气体，通过喷射这些气体产生的反作用力来推动火箭。
首先，火箭发动机的基本构成是燃烧室、喷管和喷嘴。
燃烧室是燃料和氧化剂混合并燃烧的地方，喷管是用来加速燃烧产生的高温高压气体，喷嘴则是用来将高速气体喷出，产生推力。
在发动机工作时，燃料和氧化剂被喷入燃烧室，经过点火后燃烧产生高温高压气体，然后通过喷管加速，最终从喷嘴喷出，产生推力。
其次，火箭发动机的推进力是由喷射出的高速气体产生的。
根据牛顿第三定律，每个作用力都有一个相等大小的反作用力，所以当高速气体从喷嘴喷出时，火箭就会受到相反方向的推力。
这就是火箭发动机产生推力的基本原理。
另外，火箭发动机的工作原理也与燃料的选择有关。
常见的火箭燃料有固体燃料和液体燃料两种。
固体燃料通常是将燃料和氧化剂混合成固体，然后在点火后燃烧产生推力。
而液体燃料则是将燃料和氧化剂分别储存在不同的容器中，然后在燃烧室内混合并燃烧。
最后，火箭发动机的工作原理也与喷嘴的设计有关。
喷嘴的形状和大小会影响喷出气体的速度和方向，从而影响火箭的推力和效率。
通常，喷嘴会采用喷嘴扩张理论，通过喷嘴内部的形状和结构来加速喷出气体，使其达到超音速甚至超高音速。
综上所述，火箭发动机是利用燃料和氧化剂的化学反应产生高温高压气体，通过喷射产生的反作用力来推动火箭的装置。
它的工作原理涉及燃烧室、喷管、喷嘴、燃料选择和喷嘴设计等多个方面。
火箭发动机的原理不仅是航天技术的基础，也是人类探索宇宙的重要工具。
航空航天工程师的火箭发动机推力
航空航天工程师的火箭发动机推力火箭发动机是航空航天工程中最关键的部件之一，它负责为火箭提供巨大的推力。
作为航空航天工程师，了解火箭发动机推力的原理、要素和计算方法非常重要。
本文将详细介绍火箭发动机推力的相关内容。
1. 火箭发动机推力的定义火箭发动机推力是指火箭在单位时间内向相反方向喷射出的物质的动量变化。
根据牛顿第三定律，喷出物质的作用力将产生一个等大而相反方向的反作用力，这就是火箭的推力。
2. 火箭发动机推力的计算方法火箭发动机推力的计算需要考虑喷气速度和质量流量两个要素。
推力可以用下面的公式表示：推力 = 喷气速度 ×质量流量喷气速度是喷出物质的速度，质量流量则是单位时间内喷出物质的质量。
通常情况下，喷气速度越大，质量流量越大，火箭的推力就越大。
3. 火箭发动机推力的影响因素火箭发动机推力的大小受多种因素影响。
其中，燃料的质量流量和喷气速度是最主要的影响因素。
3.1 燃料的质量流量燃料的质量流量取决于燃烧室中的燃烧速度和燃料的质量组成。
燃烧室中的燃烧速度越大，燃料的质量流量就越大，进而推力也会增大。
因此，提高燃料燃烧效率是提高火箭推力的关键。
3.2 喷气速度喷气速度取决于燃烧室的工作压力和喷嘴的设计。
工作压力越高，喷气速度也就越高，进而推力也会增大。
喷嘴的设计主要包括喷嘴形状和出口面积等因素，合理的喷嘴设计可以提高喷气速度和推力。
4. 火箭发动机推力的改进与创新为了提高火箭的推力，航空航天工程师们一直在不断进行改进和创新。
4.1 燃料改进航空航天工程师通过优化燃料配比、改进燃烧室结构和引入新型燃料等手段来提高燃料的质量流量，从而增大推力。
例如，液体氢与液体氧的组合被广泛应用在航天器的主发动机中，其高燃烧效率和巨大的推力成为了宇航员进行航天活动的重要保障。
4.2 喷嘴优化航天工程师通过改进喷嘴的形状和尺寸，优化喷气速度和流体流动，进一步提高了火箭发动机的推力。
例如，切尖形喷嘴和可变面积喷嘴的使用使得喷气速度得到了有效提高，推力也因此获得了显著的增加。
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理火箭发动机，作为航天器的主要推进装置，是现代航天技术中不可或缺的一部分。
它通过燃烧燃料产生巨大的推力，使宇宙飞船、卫星等物体获得足够的动力，克服地球重力，从而进入太空并完成各种任务。
本文将详细介绍火箭发动机的工作原理。
一、燃烧原理火箭发动机的工作原理基于燃烧反应。
在发动机燃烧室中，燃料与氧化剂在高温高压的条件下混合并点燃，产生大量的高温燃气。
这些燃气以极高的速度从喷嘴射出，形成推力。
火箭发动机的推进力正是由这种喷射高速气体产生的。
二、喷嘴设计喷嘴是火箭发动机中至关重要的一部分，其设计对发动机性能有着直接影响。
喷嘴通常采用锥形设计，分为收缩段和扩张段。
1. 收缩段收缩段是喷嘴的起始部分，其作用是将高速燃气从燃烧室引导到喷嘴出口。
由于燃气速度很高，因此通过收缩段的收缩效果可以将燃气速度加快，从而提高喷射效率。
2. 扩张段扩张段是喷嘴的后续部分，其作用是将高速燃气加速至超声速，并将燃气压力转化为动能。
通过合理的扩张段设计，可以提高火箭发动机的推力和燃烧效率。
三、弹道控制火箭发动机在实际应用中需要实现精确的飞行轨迹控制，以使航天器能够准确到达目标地点。
弹道控制是实现这一目标的关键。
1. 矢量推力控制火箭发动机可以通过控制喷嘴方向来改变喷射方向，从而实现姿态控制和飞行方向调整。
这种方式被称为矢量推力控制，通常通过涡轮、喷气等机械装置来实现。
2. 推力调变火箭发动机的推力大小也可以通过调整燃料和氧化剂的供给来实现控制。
通过改变推力的大小和方向，可以对火箭进行精确的速度和轨道调整。
四、燃料种类火箭发动机的燃料种类多种多样，常见的有液体火箭燃料和固体火箭燃料。
1. 液体火箭燃料液体火箭燃料通常由燃料和氧化剂组成，二者在燃烧室中按一定比例混合燃烧。
常见的液体火箭燃料有液氢、液氧等。
液体火箭燃料具有高比冲、可调性好等优点，但燃料储存和供给较为复杂。
2. 固体火箭燃料固体火箭燃料是一种将燃料和氧化剂以固态形式混合制成的火箭燃料。
固体发动机喷管喉部速度计算
固体发动机喷管喉部速度计算固体发动机喷管喉部速度计算是火箭发动机设计中至关重要的环节。
准确的喷管喉部速度计算可以保证火箭发动机在实际飞行过程中能够充分发挥其性能优势。
本文将详细介绍喷管喉部速度计算的方法、公式及实际应用，旨在为火箭发动机设计领域的研究者和工程师提供有益的参考。
一、喷管喉部速度计算的重要性喷管喉部速度是指火箭发动机喷出气体时的速度。
它在很大程度上决定了发动机的推力、燃料消耗和射程等性能指标。
喷管喉部速度计算的准确性对于火箭发动机的性能优化和安全性评估具有重要意义。
二、喷管喉部速度计算公式及参数含义喷管喉部速度计算公式为：v_喉= (2 * ΔP * S) / (ρ * A *)其中，v_喉表示喷管喉部速度；ΔP表示喷管压力差；S表示喷管喉部截面积；ρ表示气体密度；A*表示喷管喉部面积。
参数含义：1.喷管压力差（ΔP）：喷管压力差是发动机推力的来源，ΔP越大，推力越大。
2.喷管喉部截面积（S）：喷管喉部截面积影响喷管的气流速度分布，面积越大，喷管喉部速度越小。
3.气体密度（ρ）：气体密度与喷管喉部速度成正比，密度越大，喷管喉部速度越大。
4.喷管喉部面积（A*）：喷管喉部面积与喷管喉部速度成反比，面积越大，喷管喉部速度越大。
三、喷管喉部速度计算实例假设某固体发动机在设计过程中，喷管压力差ΔP为1000 kPa，喷管喉部截面积S为0.01 m，气体密度ρ为1500 kg/m，喷管喉部面积A*为0.02 m。
根据公式计算得到喷管喉部速度v_喉约为：v_喉= (2 * 1000 * 0.01) / (1500 * 0.02) ≈ 11.1 m/s四、喷管喉部速度计算在实际应用中的作用1.指导火箭发动机设计：准确的喷管喉部速度计算有助于优化发动机的性能参数，提高发动机的推力和射程。
2.评估发动机安全性：喷管喉部速度计算结果可以用于评估发动机在各种工况下的安全性，确保发动机在实际飞行过程中不会出现失控等危险情况。
火箭推力计算
火箭推力计算
背景
火箭推力是指火箭发动机产生的向上的力，它是火箭能够离开地面并在太空中运行的关键因素。
计算火箭推力的准确性对于设计和操作火箭非常重要。
推力计算公式
火箭推力可以通过以下公式计算：
推力 = 质量流量 x 速度差
其中，质量流量是燃料燃烧产生的质量除以燃料燃烧所需的时间，速度差是燃气从发动机喷管喷出前后的速度差。
推力计算过程
推力计算的一般过程如下：
1. 确定燃烧时间：需要知道燃料燃烧所需的时间。
2. 确定质量流量：将燃料燃烧产生的质量除以燃烧时间得到质
量流量。
3. 确定速度差：需要知道燃气从发动机喷管喷出前后的速度差。
4. 使用上述公式计算推力：将质量流量与速度差相乘得到推力。
注意事项
在进行火箭推力计算时，需要考虑以下几个因素：
- 燃料燃烧时间：燃料燃烧时间的准确性对于推力计算的精确
性至关重要。
- 燃料性质：不同类型的燃料燃烧产生的质量流量和速度差可
能不同，因此在进行推力计算时，需要根据实际情况选择正确的数值。
- 发动机设计：火箭发动机的设计对于推力计算也有影响，不同的发动机设计可能导致不同的质量流量和速度差。
结论
火箭推力计算是设计和操作火箭过程中的重要步骤。
通过计算质量流量和速度差，可以得到准确的推力数值，帮助我们更好地理解和控制火箭的运行。
在进行推力计算时，需要考虑燃烧时间、燃料性质和发动机设计等因素，以确保计算结果的准确性。
火箭发动机的工作原理
火箭发动机的工作原理火箭发动机是现代航天技术中最重要的动力装置之一，它通过燃烧燃料产生的排放物的喷射力来推动火箭的运动。
火箭发动机的工作原理可以总结为三个关键步骤：燃烧、排气和推力。
1. 燃烧火箭发动机中使用的燃料通常是液体燃料或固体燃料。
液体燃料一般由氧化剂和燃料两个部分组成，例如液氧（LOX）和液氢（LH2）的组合。
固体燃料则是一种混合了氧化剂和燃料的固态物质。
在燃烧室中，燃料和氧化剂被喷射到一起，并在高温和高压的环境下发生燃烧反应。
这个过程可通过点火系统的引燃开始。
燃料的燃烧产生的高温高压气体会在喷嘴中形成高速气流。
2. 排气喷嘴是火箭发动机的关键部件之一，它通过形状和设计来控制排放物的喷射方向和速度。
喷嘴内部的形状和尺寸决定了气体通过时的压力变化和速度增加。
通常，喷嘴在中间是较细的“喉管”，然后逐渐变宽。
这种形状可以加速气体喷射，提供更高的推力。
当高温高压气体通过喷嘴时，气体的压力会逐渐降低，而速度会增加。
这是由于喷嘴的形状使得气体经历了压缩和加速的过程。
排放物通过喷嘴的高速喷射能够提供持续的推力。
3. 推力当燃烧产生的气体通过喷嘴喷射时，根据牛顿第三定律，喷出的气体会产生等量而相反的反作用力，即推力。
这是火箭发动机提供推动力的基本原理。
推力的大小取决于多个因素，包括燃烧产生的气体质量流量、喷嘴的设计和形状以及燃料的特性等。
增加气体流量、改变喷嘴设计或增加燃料质量都可能增加推力。
总结：火箭发动机的工作原理可概括为燃烧、排气和推力三个步骤。
燃料在燃烧室中和氧化剂反应，产生的高温高压气体通过喷嘴喷射，并产生推力。
喷嘴的形状和设计决定了气体喷射的方向和速度，进而影响了推力的大小。
火箭发动机的工作原理是现代航天技术中不可或缺的基础，它使得人类能够征服太空，实现探测、通信和载人航天等众多壮举。
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理
火箭发动机是一种利用燃料燃烧产生推力的动力装置，工作原理基于牛顿第三定律——每个作用力都有一个相等且方向相反的反作用力。
火箭发动机的基本工作原理分为两步：燃烧和排气。
首先燃料和氧化剂在燃烧室中混合燃烧，产生大量高温和高压的气体。
这些气体受到燃烧室壁的限制，只能向后方扩散，形成向后的推力。
同时，由于燃烧产生的高温气体密度较大，从而使推力增加。
这时，由于推力作用的反作用力，火箭开始向前推进。
为了保持稳定，火箭通常配备有多个发动机，将推力均匀分布在火箭的各个部分上。
而且，这些发动机通常被称为级，每个级都有自己的燃料和氧化剂，以便在前一级的燃料耗尽后继续提供推力。
火箭发动机的工作原理可以通过火箭方程来进一步解释。
火箭方程描述了火箭的速度变化，即质量流出率等于质量流入率乘以速度变化率的负数。
简单来说，火箭发动机通过排放燃烧产生的高速气体，将质量从后方抛射出去，从而使整个火箭的速度增加。
总的来说，火箭发动机通过燃烧产生的推力驱动火箭运动，实现航天飞行。
它是一种高效、高速的动力装置，为人类进行太空探索和卫星发射等提供了重要的技术支持。
火箭发动机原理
火箭发动机原理火箭发动机是一种能够将燃料转化为推力的装置，它是现代航天技术的核心之一。
通过将燃料和氧化剂进行反应，火箭发动机产生的高温高压气体排出并产生巨大的推力，从而实现火箭的推进。
本文将从火箭发动机的工作原理、燃料选择和性能优化等方面进行探讨。
一、火箭发动机的工作原理火箭发动机的工作原理基于牛顿第三定律：每个作用力都有一个相等而反向的反作用力。
在火箭发动机中，燃料和氧化剂的燃烧产生的高温高压气体通过喷嘴排出，推动火箭向相反的方向运动。
火箭发动机通常由燃烧室、喷管、燃料供应系统和氧化剂供应系统等组成。
燃料和氧化剂在燃烧室中混合并点燃，产生高温高压气体。
这些气体通过喷管喷出，产生巨大的推力。
喷管的形状和尺寸对推力的大小和方向有重要影响。
火箭发动机通常采用多级喷管系统，通过不同级别的喷管来提高推力和效率。
二、燃料选择火箭发动机的燃料选择对其性能有着重要影响。
常见的火箭燃料包括固体燃料和液体燃料。
1.固体燃料：固体燃料是一种将燃料和氧化剂混合并固化成块状的燃料。
固体燃料具有体积小、质量大、储存方便等优点，适用于火箭的初级推进剂。
然而，固体燃料燃烧过程无法控制，推力无法调整，因此在一些特定应用中，固体燃料不适用。
2.液体燃料：液体燃料是一种将燃料和氧化剂分别存储，并在燃烧室中混合燃烧的燃料。
液体燃料具有比固体燃料更高的推力和可调性，适用于大多数火箭发动机。
液体燃料的制备和供应系统复杂，但由于其可调性和性能优势，液体燃料在航天领域得到广泛应用。
三、性能优化为了提高火箭发动机的性能，科学家和工程师们进行了大量的研究和优化。
以下是一些常见的性能优化方法：1.提高推进剂的燃烧效率：燃料和氧化剂的燃烧效率直接影响火箭发动机的推力和续航能力。
科学家们通过改进燃烧室和喷嘴设计，优化燃烧过程，提高燃烧效率。
2.减少发动机质量：发动机质量对火箭的整体性能有着重要影响。
科学家们通过使用轻量化材料、减少结构重量和优化设计等方法，降低发动机的质量，提高整体性能。
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uc 2 2
He
ue2 2
Hc H0 (uc ue , uc 0)
ct e
§ 2.1 推力与喷气速度
因此：
H0
He
ue2 2
ue 2H0 He
ct e
将公式 H e c pTe , H 0 c pT f 代入上式 ，有：
ct e
ue 对等熵流动：
§ 2.1 推力与喷气速度 2.1.1 推力（Thrust)
0 Pa
ct
e
一. 推力定义：发动机工
作时作用于发动机全部表 飞行方向
ue
面（包括内外表面）上的
Pi , Ti
气体压力的合力。
F F内 F外
(1)
0
ct
e
F内 :高温高压燃气对发动机内表面的作用力
F外 :外界大气对发动外表面的作用力（仅考虑大气静压
2cp Tf Te
Over-expanded
pe = pa Fully-expanded
§ 2.1 推力与喷气速度
四.有关推力的几个代表量: F mue Ae Pe Pa
2. 真空推力：发动机在真空环境下工作时的推力，也就是 Pa 0
时的发动机推力。即：
Fv mue Pe Ae
3. 海平面推力：发动机在海平面条件下（环境压强为0.1013MPa）工
Fex ：喷管出口截面作
用于控制体上的反
飞行方向
作用力
Fin
Ain
Pi ndA（作用力与反作用力
原理）0
Fex
PenAe
（一维定常流动
）
Fcontrol
Ain PindA PenAe
ct
Pi , Ti
ct
e
ue
控制 体
e
§ 2.1 推力与喷气速度
0
min mex m （质量守恒）
单位时间内控制体内 燃气的动量变化率为:
mue uin
飞行方向
根据动量定理：
mue
uin
Fcontrol
Ain Pi ndA PenAe
0
Ain PindA mue uin PenAe
F内
(2)
ct
§ 2.1 推力与喷气速度
三.推力公式的讨论：
推力公式： F mue Ae Pe Pa
(1) mue :动量推力（momentum thrust）.占推力总值的90%以上；
(2) Ae Pe Pa :压强推力（pressure thrust），也称静推力。
(3) 火箭发动机的推力与飞行器的飞行速度无关。
作时的推力。 F0 mue Ae(Pe 1.013105)
4. 等效喷气速度 uef ： F muef
将发动机推力全部等 效为动推力时所对应 的发动机喷气速度。
uef
ue
Pe Pa m
Ae
对固体火箭发动机：
uef 2000~2500m/s
§ 2.1 推力与喷气速度
2.1.2 喷气速度 ue (Exhaust Velocity)
火箭发动机设计基础
西北工业大学 航天学院 二0一四年四月
内容回顾
火箭发动机：不利用外界空气，而是燃烧飞行器自身 携带的推进剂（燃料和氧化剂）并直接向外喷射工质而产 生反作用推力的喷气发动机
火箭发动机的特点： 1. 自带燃料和氧化剂（推进剂） 2. 产生的推力与飞行器的飞行速度无关 3. 工作环境恶劣、工作可靠性要求高
研究对象：控制体内的燃气
0
ct e
（2）发动机燃烧室内为零维流 动，即：燃烧室内各点的 燃气压强、温度均相等；
飞行方向
Pi , Ti
（3）发动机处于不变的环境压
强中。
0
ct
ue
控制 体
e
§ 2.1 推力与喷气速度
控制体受力为：
0
Fcontrol Fin Fex
其中：Fin ：发动机内壁面作 用于控制体上的力
F外
(3)
控
0
ct
e
制 体
To EQ(1)
将（2）、（3）式代入公式（1）中有：
F
mue
uin
PenAe
PanAe
F mue uin Ae Pe Pa
uin 0 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ对固发）
uin ue （对液发）
F mue Ae Pe Pa (2 2)
§ 2.1 推力与喷气速度
四.有关推力的几个代表量:
F mue Ae Pe Pa
1. 特征推力：也称额定推力或发动机
设计状态推力，也就是当 Pe Pa
时的发动机推力。
F特征 mue
ue
pa pc
pa pc
pa pc
pe > pa Under-expanded pe < pa
强的作用，飞行中的切向空气阻力，与发动机的工作无
关，故空气阻力计入飞行器的阻力，而不计入推力）。
§ 2.1 推力与喷气速度
F mue Ae Pe Pa (2 2)
二. 根据动量原理推导推力公式： 基本假设：
（1）发动机为轴对称体，且喷 管内燃气为一维定常流动， 不计燃气重力；
4. 推进剂贮箱大
内容回顾
固体火箭发动机的主要组成: 燃烧室、主装药、点火器、喷管
第一部分 火箭发动机原理
第二章 固体火箭发动机的主要参数
§ 2.1 § 2.2 § 2.3 § 2.4 § 2.5 § 2.6 § 2.7 § 2.8 § 2.9
推力与喷气速度 喷管质量流率与特征速度 推力系数 最大推力 发动机的高度特性 总冲和比冲 发动机性能参数的实际值 发动机设计质量系数 发动机及推进剂的性能对火箭飞行器性能的影响
一.公式推导：
基本假设：1. 燃烧室内的燃气参数 Pc 、 、T等处处相等。
2.喷管中的流动是一维定常、等熵流动，且忽略 燃气对喷管壁的传热和摩擦。
3.燃气是定压比热为常数的理想气体。
燃气流动的 能量方程：
u2 H 2 H0 cons tan t
ct e
在截面c-c和e-e处：
Hc
Pi , Ti
ct To EQ(1)
e
ue
控制 体
e
§ 2.1 推力与喷气速度
对于一个封闭表面的矢量积分总是等于零，即有：
0
ct e
Aex Ae PandA Aex PandA Ae PandA 0 飞行方向
Aex PandA Ae PandA PanAe