火箭发动机的工作原理视频（火箭发动机的工作原理）

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1、大部分发动机靠排出高温高速燃气来获得推力，固体或液体推进剂（由氧化剂和燃料组成）在燃烧室中高压（10-200 bar）燃烧产生燃气。

2、 化学火箭的燃烧室通常呈圆柱体形，其尺寸要满足推进剂充分燃烧，所用推进剂不同，尺寸不同。

3、用L * 描述燃烧室尺寸这里：Vc 是燃烧室容量At 是喷口面积L* 的范围通常为25-60英尺（0.6 - 1.5 m）燃烧室的压力和温度通常达到极值，不同于吸气式喷气发动机有足够的氮气来稀释和冷却燃烧，火箭发动机燃烧室的温度可达到化学上的标准值。

4、而高压意味着热量在燃烧室壁的传导速度非常快。

5、燃烧室收缩比燃烧室的收缩比是指燃烧室横截面积与喷管喉部面积之比。

6、当推进剂和燃烧室压力一定时，收缩比与质量流量密度成反比，选定质量流量密度也就选定了燃烧室收缩比。

7、但利用收缩比来选择燃烧室直径更直接和方便一些。

8、收缩比的选择主要是根据实验或者统计方法，推荐以下数据：对于大多数泵压式供应系统的大推力和高压燃烧室，收缩比常取1.3~2.5对于采用离心式喷嘴的燃烧室，收缩比常取4~5 发动机的外形主要取决于膨胀喷嘴的外形：钟罩形或锥形。

9、在一个高膨胀比的渐缩渐阔喷嘴中，燃烧室产生的高温气体通过一个开孔（喷口）排出。

10、如果给喷嘴提供足够高的压力（高于围压的2.5至3倍），就会形成喷嘴阻流和超音速射流，大部分热能转化为动能，由此增加排气的速度。

11、在海平面，发动机排气速度达到音速的十倍并不少见。

12、一部分火箭推力来自燃烧室内压力的不平衡，但主要还是来自挤压喷嘴内壁的压力。

13、排出气体膨胀（绝热）时对内壁的压力使火箭朝向一个方向运动，而尾气向相反的方向。

14、 要使发动机有效利用推进剂，需要用一定质量的推进剂产生最大可能压力作用于燃烧室和喷嘴，此外以下方法也能提高推进剂效率：将推进剂加热到尽可能高的温度（使用高能燃料、氢，碳或某些金属如铝，或使用核能）使用低比重气体（尽可能含氢）使用小分子推进剂（或能分解成小分子的推进剂）因为所有的措施都是出于减轻推进剂质量的考虑；压力与被加速的推进剂量成比例关系；也因为牛顿第三定律，作用于发动机的压力也作用于推进剂。

15、废气出燃烧室的速度似乎是由燃烧室压决定的。

16、然而该速度明显受上述三种因素影响。

17、综合起来，排气速度就是检验发动机效率的最好证明。

18、由于空气动力的原因，废气在喷口产生阻流效应。

19、音速随温度平方根增长，因此使用高温尾气能提高发动机性能。

20、在室温下，空气中的音速为340 m/s，而在火箭的高温气体中可达1700 m/s以上，火箭的大部分性能都是由于高温。

21、加之火箭推进剂通常选用小分子，这也使得在同等温度下，废气中音速高于空气中音速。

22、喷嘴的膨胀设计使排气速度翻倍，通常是1.5至2倍，由此产生准高超音速排气射流。

23、速度的增量主要由面积膨胀比决定，即喷口面积与喷嘴出口面积的比值。

24、而气体的性质也很重要。

25、大膨胀比的喷嘴尺寸更大，但能使废气释放更多的热，由此提高排气速度。

26、喷嘴效率受工作高度影响，因为大气压力随高度升高而降低。

27、但由于尾气是超音速的，因此射流的压力只会低于或高于围压，不能与之平衡。

28、如果尾气压力与围压不同，尾气就可以成为完全膨胀，或过度膨胀。

29、 要获得最佳性能，尾气在喷嘴末端的压力需要与围压相等。

30、如果尾气压力小于围压，运载器就会因为发动机前端与末端的气压差而减速。

31、而如果尾气压力大于围压，本该转换成推力的尾气压力没有转换，能量被浪费。

32、为了维持尾气压力和围压的平衡，喷嘴直径需要随高度升高而增大，使尾气有足够长的距离作用于喷嘴，以降低压力和温度。

33、而这增加了设计难度。

34、实际设计中通常采用折衷的办法，因而也牺牲了效率。

35、有许多特殊喷嘴可以弥补这种缺陷，如塞式喷嘴、阶状喷嘴、扩散式喷嘴以及瓦形喷嘴。

36、每种特殊喷嘴都能调整围压并让尾气在喷嘴中扩散更广，在高空产生额外的推力。

37、当围压足够低，如真空，就会出现一些问题：一个问题是喷嘴的剪重，在一些运载器中，喷嘴的重量也影响着发动机效率。

38、第二个问题是尾气在喷嘴中绝热膨胀并冷却，射流中某些化学物质会凝结产生“雪”，导致射流的不稳定，这是必须避免的。

39、 相对喷管处的热能损失而言，泵气损失微乎其微。

40、大气中使用的发动机使用高压动力循环来提高喷管效率，而真空发动机则无此要求。

41、对于液体发动机，将推进剂注入燃烧室的动力循环共有四种基本形式：挤压循环- 推进剂被内置的高压气瓶中的气体挤出。

42、膨胀循环 - 推进剂流经主燃烧室膨胀驱动涡轮泵。

43、燃气发生器循环 - 小部分推进剂在预燃室中燃烧驱动涡轮泵，废气通过独立管道排除，能效有损失。

44、分级燃烧循环 - 涡轮泵的高压气送回驱动自启动循环，高压废气直接送入主燃烧室，没有能量损失。

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