导弹与航天用发动机简介

导弹与航天用发动机简介摘要：本文主要介绍导弹与航天用发动机的发展历程以及各种类型发动机的结构、原理、性能以及优缺点。关键词：导弹；航天；发动机；简介一．引言各种各样的导弹、火箭想要一飞冲天都离不开一台乃至数台强劲的发动机提供动力；若是没有发动机，它们就只是一个个1：1的大模型。正因为这样航空航天发动机领域的竞争向来是非常激烈的；我国现役的长征系列运载火箭虽然技术成熟可靠性高，但性能与阿里亚娜5等较新的火箭比尚有一定差距，其中发动机性能上的差距就是一个重要影响因素。我作为一名飞行器设计与工程专业的学生，谨写下此文以增长自己发动机方面的知识。二．导弹与航天用发动机的发展历程1.中国古代：我国古代劳动人民发明了黑火药，又以此为原料发明了最早的火箭发动机。“人们把黑火药等化学药品放到一个竹筒里，然后扔到火堆里以产生爆炸效果。在这个过程中，有些竹筒并没有爆开而是随机飞了起来，产生了弹射的效果。这个放了火药的竹筒，就相当于我们现在的推进发动机系统。”【1】2.告别黑火药的火箭：“1900年是火箭史上一个重要的时间标志。l90O年之前，人类使用的火箭技术都是基于黑火药，而从1900年开始，才拉开了现代火箭的序幕。我们先来看一下现代火箭的早期阶段。直到20世纪初叶，才正式建立了火箭学，其基础便是牛顿提出的三大定律。大家都对牛顿三大定律耳熟能详了，但是在当时，这具有奠基性的意义，它解释了为什么火箭能够运作，以及为何能在真空中工作。而后者的意义就在于，这是火箭有别于其他动力装置的—个根本区别。我们都知道，飞机机飞得再高也有极限，而火箭则可以在任何环境下飞行。”【1】“1903年是有趣的一年，这一年，莱持兄弟发明了飞机，为航空史写下了壮丽的一笔，同样的，在航天领域，一位前苏联的中学老师齐奥尔科夫斯基，提出了使用液体燃料火箭的建议。”“而齐奥尔科夫斯基提出的这套理论，奠定了人类利用可持续的火箭燃料进入太空的基础，他也因此被誉为人类航天之父。”“但遗憾的是他的理论并没有能够在前苏联变为现实，但他的著作影响到整个欧洲和美国。终于在1920年，一名叫戈达德的美国博士把齐奥尔科夫斯基的思想实践出来，做出了第一枚液体火箭。当时这枚火箭的首飞时间相当短，只有25分钟，爬升了l25米，还没有我们现代一些烟花的提升度高，但是这在当时已经是很了不起了。他利用液氧和汽油作为推进剂，这是最早的液体火箭。”【1】3.冲压发动机的发明：早在1913年，法国工程师雷恩·洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计，并获得专利。但当时没有相应的助推手段和相应材料，只停留在纸面上。1928年，德国人保罗·施米特开始设计冲压式喷气发动机。最初研制出的冲压发动机寿命短、振动大，根本无法在载人飞机上使用。于是1934年时，施米特和G·马德林提出了以冲压发动机为动力的“飞行炸弹”，于1939年完成了原型。后来这一设计就产生了纳粹德国的V-1巡航导弹。4.涡轮喷气发动机的发明：“1930年1月16日,惠特向英国专利局申请了涡轮喷气发动机的专利。惠特的发动机由压气机、涡轮、燃烧室、喷油嘴、尾喷管组成。压气机为二级轴流加一级离心式,涡轮为二级轴流式,尾喷管为扩张式。为了使燃气有均匀的轮前压力分布,在燃烧室和涡轮之间还设有集气环。”【2】惠特虽然顺利申请了专利，但发动机的制造却几经波折，直到1941年装有惠特设计的涡轮喷气发动机的E28/39型飞机才试飞成功。“在惠特研制涡轮喷气发动机的同时，在欧洲大陆上，德国工程师俄海因也在向着同个目标奋斗着。1933年作为德国哥廷根大学的学生俄海因在经过了一年的思考后，也提出了涡轮喷气发动机的原理。1934年，他用1000马克资金作为成本,在他的好友、汽车修理工哈恩(M.Hahn)的帮助下，研制了一台喷气发动机。但是实验发现，燃烧过程是难以控制的。显然,必须要对燃烧问题进行必要的基础研究而俄海因个人的财力无法承担的。”【2】后来俄海因与企业家亨克尔合作终于在二战前有了结果。“在全台发动机的研制中，他对原初的设计又进行了一系列改进。其中最重要的改进是在离心式压气前装上了一级轴流压机。这样当高速气流进入旋转的压气机，空气能得到预先的旋转，降低了空气流动损失。最后完成的试飞用发动机He53推力408kg，推重比为1.12，燃油消耗率为2.0/kg.h。用于试飞的配套飞机1937年底开始设计，1939年春末装配完成，定名为He178。1939年8月27日，在第二次世界大战爆发前一个星期，亨克尔He178为世界上第一架试飞成功的涡轮喷气式飞机。”【2】5.涡轮风扇发动机：在五十年代未、六十年代初，作为航空动力的涡喷发动机已经相当的成熟。当时的涡喷发动机的压气机总增压比已经可以达到14左右，而涡轮前的最高温度也已经达到了1000℃的水平。在这样的条件下，涡喷发动机进行部分的能量输出以经有了可能。而当时对发动机的推力要求又是那样的迫切，人们很自然的想到了通过给涡喷发动机加装风扇以提高迎风面积增大空气流量进而提高发动机的推力。当时人们通过计算发现，以当时的涡喷发动的技术水平，在涡喷发动机加装了风扇变成了涡扇发动机之后，其技术性能将有很大的提高。当涡扇发动机的风扇空飞流量与核心发动机的空气流量大至相当时（函道比1:1），发动机的地面起飞推力增大了百分之四十左右，而高空巡航时的耗油量却下降了百分之十五，发动机的效率得到了极大的提高。6.超燃冲压发动机：用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念。国外超燃冲压发动机技术的发展已有60多年的历史。20世纪50年代，最早的专利就记录在案了。60年代中期，一些超燃冲压发动机已经进行过飞行试验，最高速度达到马赫数7.3。通用电气公司、联合技术公司、马夸特公司、约翰·霍普金斯大学APL实验室以及NASA兰利研究中心等研制出典型的氢燃料超燃冲压发动机（相同燃料也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）。三．各种类型发动机（一）涡轮喷气发动机1.结构进气道，压气机，燃烧室与涡轮，喷管及加力燃烧室（见图一，图片页）2.原理空气进入压气机被压气机压缩速度下降（降至亚音速），压力增大。高压空气进入燃烧室与物化的燃油充分混合燃烧，温度升高，压力继续增大。高温高压燃气从燃烧室排出，推动涡轮做功，并损失了少量能量。涡轮旋转带动压气机旋转继续吸入并压缩空气。做工后的高温高压气体进入尾喷管扩张，压力温度下降，速度上升超过音速并最终喷出发动机。根据喷气反作用原理，发动机获得推力。某些发动机的喷管中还有加力燃烧室，燃气在加力燃烧室中再次与燃油混合燃烧加速。3.性能涡轮喷气发动机适用于飞行速度3M以下的导弹，直径比涡轮风扇发动机小，易于在导弹上使用。马赫数较高时推重比优于涡轮风扇发动机，但马赫数低时效率比涡轮风扇发动机低。（二）涡轮风扇发动机1.结构待定风扇总成（低压压气机，高压压气机），环型燃烧室，高压涡轮，低压涡轮，加力燃烧室，喷管（见图二，图片页）2.原理涡轮风扇发动机的原理与涡轮喷气发动机有很多相似之处。只是燃气在涡轮做功时损失更多的能量，温度下降更多，发动机排出气体的温度更低热损失更少。燃气在涡轮处多做的功被传递给风扇，风扇旋转也提供部分推力。流过风扇的气体部分进入核心机，其它的经外涵道排出。3.性能涡轮风扇发动机效率高，油耗低，噪音小，但构复杂，设计难度大，迎风面积大不适用于小型导弹。（三）超燃冲压发动机发动机1.结构进气口，燃烧室，喷管（见图三，图片页）2.原理冲压发动机本身没有活动的部分，气流从前端进气口进入发动机之后，利用涵道截面积的变化，让高速气流降低速度，并且提高气体压力。压缩过后的气体进入燃烧室，与燃料混合之后燃烧并高速喷出。由于冲压发动机维持运作的一个重要条件就是高速气流源源不决的从前方进入，因此发动机无法在低速或者是静止下继续运作，只能在一定的速度以上才可以产生推力。为了让冲压发动机加速到适合的工作速度，必须有其他的辅助动力系统自静止或者是低速下提高飞行速度，然后才点燃冲压发动机。3.性能由于没有活动组件，超燃冲压发动机与一般喷气发动机比较起来，重量较低，结构也比较简单，不过超燃冲压发动机最低启动速度在2马赫左右，随着速度逐渐增加，气体的冲压效应在3马赫时效率会大幅压过涡轮喷气发动机，而此时的涡轮喷气发动机受限于超温往往已经无法运作了。（四）液体火箭发动机1.结构一般由推力室，推进剂供应系统，发动机控制系统（见图四，图片页）2.原理液体推进剂由输送系统送到发动机泵前，经泵加压后进入发动机推力室进行燃烧穴双组元推进剂或分解穴单组元推进剂，将推进剂的化学能变为热能，产生高温高压燃气，通过推力室喷管膨胀,将热能变为动能,以高速方式从喷管内向外喷出，产生反作用力--推力，为火箭飞行提供所需的动力。【3】3.性能液态火箭发动机的比冲普遍优于固态火箭发动机，且可以间歇性的使用，固态火箭发动机很难分段使用。液态火箭发动机需要有相关的管线与加压设备，相对于固态火箭发动机复杂许多。液态火箭燃料的腐蚀性使得在燃料槽当中储存的时间较短，需要定期更换与检查。（五）固体火箭发动机1.结构壳体，固体推进剂，喷管组件，点火装置（见图五，图片页）2.原理固体火箭发动机属于化学火箭发动机，用固态物质（能源和工质）作为推进剂。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，即把化学能转化为热能；燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。3.性能固体火箭发动机是使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较,具有结构简单,推进剂密度大,推进剂可以储存在燃烧室中常备待用和操纵方便可靠等优点。固体火箭发动机比冲小(250～300秒),工作时间短,加速度大,因而推力不易控制、重复起动困难、不利于载人飞行,主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机,以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。【4】参考文献：【1】北京航空航天大学宇航学院宇航推进系副主任、博士生导师、教授梁国柱《火箭的过去、现在与未来》（演讲）2009年【2】田大山《涡轮喷气发动机的发明》《机械技术史》1998年00期【3】《液体火箭发动机技术》查理《国防科技》2004年08期【4】《液体火箭发动机技术》查理《国防科技》2004年07期图片一图片二图片三图片四图片五图片页