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空气动力发动机的构造原理

: 问提问者：网友 | 2017-06-08

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 关于空气动力方面的知识，在人类进行的航空航天的尝试过程中，已经积累了非常丰富的经验知识。因此本文从物理的角度（物质运动变化原理），而不是从工程的角度或者从数学的角度来说明关于航空航天的动力。并提出一种提高航空航天动力有效利用率的方法.    空气作为一种气体和液体存在着物质属性的不同，这种不同表现在空气气体具有流动性和可压缩性以及密度的差异上。和物体的相互作用上，也存在不同。液体和在水中运动物体间的作用，由于阻力很大，那么在水中航行的船体，动力系统所产生的水波的作用对船体的影响是很微小的。但是，空气则不同了，由于空气阻力比液体阻力小，在空气中运动的物体在声速附近运动时还会受到声障的影响。  空气中运动物体的动力1、经典的火箭发动机    在现今的航空航天动力应用中，高速运行的飞机、火箭、飞船都是采用喷气发动机作为飞行器的动力。当然低速飞机则主要采用机械动力螺旋桨作为飞机飞行的主要动力。低速飞机则不在本文的考察范围之内。本文仅对喷气发动机作为主要的分析对象，来分析火箭发动机的飞行动力问题。现行的喷气发动机都可近似的看作左图的动力模式：   燃料在燃烧室中燃烧，通过减少喷口的截面积，在燃烧室中产生高温高压的气体，并在喷口高速喷出，从而使火箭发动机获得推动力。     如上的火箭发动机关于动力的大小有一个简单的近似计算模式，这个计算模式就是喷口的最小截面积和燃烧室中压强的乘积。但实际上这样计算的结果是略小于火箭的真实动力。这是因为，喷管后面通常有一个扩张管，另一方面，还和气体分子的运动有关。在后面我们要讨论这个问题。  通常我们将这种喷气发动机叫做利用反冲力工作的火箭发动机。这种发动机有一个缺点，就是浪费了大量的热能。并且在其飞行速度在0——略小于声速的速度阶段，空气的阻力是很大的。声障的问题  如图： 火箭在点火之后，在初始，其速度很低。但是火箭燃烧室中的高温高压气体高速冲出火箭发动机的喷口后，会合正常状态下的大气产生作用。会产生一些列的效应。      如湍流、声波导致的空气压力、气体分子的运动速度增加等等现象。我们这里首先假设火箭发动机的功率是不变的，即单位时间内燃烧的燃料数量不变。这些现象的产生和喷管喷出的气体的截面积、压力、密度等存在确定的关系。三种物理量两种确定的情况下，和其中一种成正比。比如：  当喷出气体截面积和压力确定的情况下，火箭发动机产生的这一些列的效应强度同冲出火箭喷口的密度成正比。  当喷出气体的压力和密度确定的情况下，火箭发动机产生的这一些列的效应强度同冲出火箭喷口的截面积成正比。  当喷出气体的截面积和密度确定的情况下，火箭发动机产生的这一些列的效应强度同冲出火箭喷口的压力成正比。  声波可以导致气体分子的运动速度周期性的增加，这一点可参见速度的问题之三————震动与波（下）。  我们知道，当火箭的运动速度接近声速时，那么火箭发动机所产生的声波会近似驻留在火箭到火箭的前端一带，因为声音也在向火箭运动的前方运动。我这里把这种效应叫做声波效应。如果火箭以这种速度飞行的话，那么火箭发动机所产生的声波效应，可以认为包括使空气的气体分子的运动速度增大、声压等所形成的空气阻力增大会不断的增加。因为一个时刻火箭发动机所产生的火箭前端的阻力不消失的情况下，在这一时刻后面的时刻所产生的声波效应又产生了。这样随着时间的推移，这种阻力一直增加下去，直到空气给与火箭的阻力等于火箭发动机给与火箭的动力相等，火箭就稳定在这一速度状态下飞行。当然，阻力的增大会导致火箭的速度下降。  声波最直接作用的结果则是使火箭剧烈的震动。但是火箭的动力则不会增加。  那么有没有办法消除声障呢？回答是肯定的——有  可存在两种方法消除声障。  第一种方法是增大火箭的动力，使火箭飞行速度在接近声障时在极短的时间内跨过声障。比如准备一个备用发动机，当到达声障时，启动另一个发动机。增大一倍的动力。当然，倘若不能在较短的时间内使火箭的速度跨过声速，那么两个发动机所产生的声波效应会使阻碍火箭运动的声波效应增强一倍。累积到某一阻力的时间也要减小一倍。火箭的震动程度会迅速的增加。倘若不能在较短的时间内跨过声障，火箭的速度仍然不能打破声速。并且可能导致火箭在声障效应中报废。  第二种方法是降低火箭发动机所产生的声波效应。  如上两种方法中存在另一种火箭发动机的动力模式，这种发动机不但包含了传统火箭发动机利用反冲力作为火箭动力的原理，还包含了一种新的动力模式，可以更加有效的利用燃料所产生的热能。使火箭所产生的推动力要大于火箭向后喷出气体的动量。3、降低声障效应和火箭燃气热能的利用     打破声障技术上的问题已经解决，这一点是通过拉瓦尔管来实现的。我们下面就来探讨这个问题，由于涉及到火箭发动机的动力问题，我们仍然要从火箭动力上开始。  我们先来看第一个问题：  一、火箭发动机喷管收缩的原理  火箭发动机工作时的力学状态 上图是火箭发动机的关于喷管收缩的原理简图：在火箭发动机正常工作的情况下，单位时间内燃烧的燃料我们看作一个定值。换句话说，经过火箭发动机喷管喷出的气体是一个定值。这里我们采用气体分子的数量来进行说明。       图中的小白球所表示的是气体分子，实心箭头表示的使气体分子和燃烧室壁的碰撞。空心箭头表示的是气体分子的宏观运动方向。   由于燃料燃烧产生大量的热量，而这些热量都会以气体分子的高速运动形式以动量的形式（当然传统的说法动能更为合理）。由于火箭发动机是采用大量气体分子从喷管高速喷出来进行工作，并且单位时间内燃料燃烧产生的气体分子的数量等于单位时间内火箭发动机喷管向后喷出的气体分子。因此，由于温度传导所产生的降温作用我们是可以略而不计的。因此火箭发动机工作过程中气体的温度和气体分子的运动速度我们可以近似看作一个常数。即：火箭发动机正常工作的时候，气体分子的温度所标示的气体分子的运动速度为一个定值。当然，这样的看法是在统计的意义上来说的。   如果我们从物质运动变化的角度来看火箭发动机的工作原理，那么，从具有确定运动速度的气体分子和火箭发动机本身的作用上来看待这个问题，这是从物理的角度上唯一合理的解释方法。高温的燃气分子和燃烧室的作用就在于燃气分子和燃烧室的碰撞。我们从它们之间的碰撞可以得到火箭发动机的力学动力过程。   关于火箭动力的简单计算   首先我们来看图一：在火箭燃烧室中（剖面图、二维图），如果燃烧室是三面封闭，在运动的后方是出口，那么气体分子和A面的碰撞则会使A面产生一个向前的力，受力的方向，也是实心箭头的方向。在燃烧室封闭的另两面，由于气体分子和器壁碰撞的大小相等、方向相反，因此，可以认为在封闭面的其它方向不受作用力。由于空心箭头的方向没有器壁，因此没有作用力。这样，就提供给我们计算火箭推动理论的一种方法。   假设A面的面积为S，单位面积单位时间的碰撞次数为n，一个气体分子一次碰撞提供的冲量为ft。那么，火箭单位时间内所获得的动量为Snft   喷管的截面积和火箭动力的关系   现行的火箭发动机不是如上图一中的设置，这是因为这种火箭发动机的结构设置所提供的动力很低，并且热能的利用率很低。通常都是采用图二中的设置，减少火箭喷气口的截面积，即通常所说的使火箭的喷管收缩。   如果我们还假设火箭发动机单位时间燃烧的燃料不变，那么单位时间内燃料燃烧所产生的气体分子的数量也不变。同时，如果火箭稳定工作，那么火箭喷气口单位时间里喷出的气体的数量必然等于单位时间内火箭喷口单位时间里喷出的气体分子的数量。我们再来看和真实火箭发动机接近的这个原理图——图二。   为了便于数学声的描述，我们采用比较的方法来说明火箭喷管的截面积和功率的关系。   在图二中，由于我们收缩了火箭喷气口，那么，以前的计算方法则不能使用了。这是因为经过喷气口收缩之后，在B位置和C位置增加了气体分子的碰撞面积，并且气体分子在这个碰撞面的碰撞方向和A面是相反的作用方向。因此是火箭向前运动的作用碰撞则要去掉这一部分。即A面的面积减去B面和C面的面积，这才是火箭喷气口收缩后的有效面积。我们知道，这部分面积等于喷气口的截面积。   我们知道，火箭燃料燃烧后产生的热量是以气体分子的高速运动的内能存在的，气体分子的运动速度不会由于我们减少喷管的截面积，增大燃烧室的气体压力而增加。气体分子碰撞一次所给与燃烧室的作用是不变的。而不同的则是单位面积单位时间的碰撞次数不同。   形成单位时间单位面积气体分子和燃烧室的碰撞次数不同主要有两种原因形成。   一种是气体分子的密度造成。   我们先来看一下在两个图中形成燃气分子密度差异的原因和关系。   我们知道，气体分子在燃烧过程中产生的分子的热能所标示的气体分子的运动速度。由于气体分子的运动速度非常高，因此，气体分子在燃烧室中扩散的过程所形成的密度分布状态当作一种稳定的分布状态。因此我们可以这样近似的处理这一问题。如图： 如果火箭发动机的喷管截面积减少一倍，并且单位时间内通过喷气口截面积的气体数量为一常数。由于气体分子的: 回答者：网友

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