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空氣動力發(fā)動機的構(gòu)造原理

: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-06-08

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 關于空氣動力方面的知識，在人類進行的航空航天的嘗試過程中，已經(jīng)積累了非常豐富的經(jīng)驗知識。因此本文從物理的角度（物質(zhì)運動變化原理），而不是從工程的角度或者從數(shù)學的角度來說明關于航空航天的動力。并提出一種提高航空航天動力有效利用率的方法.    空氣作為一種氣體和液體存在著物質(zhì)屬性的不同，這種不同表現(xiàn)在空氣氣體具有流動性和可壓縮性以及密度的差異上。和物體的相互作用上，也存在不同。液體和在水中運動物體間的作用，由于阻力很大，那么在水中航行的船體，動力系統(tǒng)所產(chǎn)生的水波的作用對船體的影響是很微小的。但是，空氣則不同了，由于空氣阻力比液體阻力小，在空氣中運動的物體在聲速附近運動時還會受到聲障的影響。  空氣中運動物體的動力1、經(jīng)典的火箭發(fā)動機    在現(xiàn)今的航空航天動力應用中，高速運行的飛機、火箭、飛船都是采用噴氣發(fā)動機作為飛行器的動力。當然低速飛機則主要采用機械動力螺旋槳作為飛機飛行的主要動力。低速飛機則不在本文的考察范圍之內(nèi)。本文僅對噴氣發(fā)動機作為主要的分析對象，來分析火箭發(fā)動機的飛行動力問題。現(xiàn)行的噴氣發(fā)動機都可近似的看作左圖的動力模式：   燃料在燃燒室中燃燒，通過減少噴口的截面積，在燃燒室中產(chǎn)生高溫高壓的氣體，并在噴口高速噴出，從而使火箭發(fā)動機獲得推動力。     如上的火箭發(fā)動機關于動力的大小有一個簡單的近似計算模式，這個計算模式就是噴口的最小截面積和燃燒室中壓強的乘積。但實際上這樣計算的結(jié)果是略小于火箭的真實動力。這是因為，噴管后面通常有一個擴張管，另一方面，還和氣體分子的運動有關。在后面我們要討論這個問題。  通常我們將這種噴氣發(fā)動機叫做利用反沖力工作的火箭發(fā)動機。這種發(fā)動機有一個缺點，就是浪費了大量的熱能。并且在其飛行速度在0——略小于聲速的速度階段，空氣的阻力是很大的。聲障的問題  如圖： 火箭在點火之后，在初始，其速度很低。但是火箭燃燒室中的高溫高壓氣體高速沖出火箭發(fā)動機的噴口后，會合正常狀態(tài)下的大氣產(chǎn)生作用。會產(chǎn)生一些列的效應。      如湍流、聲波導致的空氣壓力、氣體分子的運動速度增加等等現(xiàn)象。我們這里首先假設火箭發(fā)動機的功率是不變的，即單位時間內(nèi)燃燒的燃料數(shù)量不變。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生和噴管噴出的氣體的截面積、壓力、密度等存在確定的關系。三種物理量兩種確定的情況下，和其中一種成正比。比如：  當噴出氣體截面積和壓力確定的情況下，火箭發(fā)動機產(chǎn)生的這一些列的效應強度同沖出火箭噴口的密度成正比。  當噴出氣體的壓力和密度確定的情況下，火箭發(fā)動機產(chǎn)生的這一些列的效應強度同沖出火箭噴口的截面積成正比。  當噴出氣體的截面積和密度確定的情況下，火箭發(fā)動機產(chǎn)生的這一些列的效應強度同沖出火箭噴口的壓力成正比。  聲波可以導致氣體分子的運動速度周期性的增加，這一點可參見速度的問題之三————震動與波（下）。  我們知道，當火箭的運動速度接近聲速時，那么火箭發(fā)動機所產(chǎn)生的聲波會近似駐留在火箭到火箭的前端一帶，因為聲音也在向火箭運動的前方運動。我這里把這種效應叫做聲波效應。如果火箭以這種速度飛行的話，那么火箭發(fā)動機所產(chǎn)生的聲波效應，可以認為包括使空氣的氣體分子的運動速度增大、聲壓等所形成的空氣阻力增大會不斷的增加。因為一個時刻火箭發(fā)動機所產(chǎn)生的火箭前端的阻力不消失的情況下，在這一時刻后面的時刻所產(chǎn)生的聲波效應又產(chǎn)生了。這樣隨著時間的推移，這種阻力一直增加下去，直到空氣給與火箭的阻力等于火箭發(fā)動機給與火箭的動力相等，火箭就穩(wěn)定在這一速度狀態(tài)下飛行。當然，阻力的增大會導致火箭的速度下降。  聲波最直接作用的結(jié)果則是使火箭劇烈的震動。但是火箭的動力則不會增加。  那么有沒有辦法消除聲障呢？回答是肯定的——有  可存在兩種方法消除聲障。  第一種方法是增大火箭的動力，使火箭飛行速度在接近聲障時在極短的時間內(nèi)跨過聲障。比如準備一個備用發(fā)動機，當?shù)竭_聲障時，啟動另一個發(fā)動機。增大一倍的動力。當然，倘若不能在較短的時間內(nèi)使火箭的速度跨過聲速，那么兩個發(fā)動機所產(chǎn)生的聲波效應會使阻礙火箭運動的聲波效應增強一倍。累積到某一阻力的時間也要減小一倍?；鸺恼饎映潭葧杆俚脑黾印Ｌ热舨荒茉谳^短的時間內(nèi)跨過聲障，火箭的速度仍然不能打破聲速。并且可能導致火箭在聲障效應中報廢。  第二種方法是降低火箭發(fā)動機所產(chǎn)生的聲波效應。  如上兩種方法中存在另一種火箭發(fā)動機的動力模式，這種發(fā)動機不但包含了傳統(tǒng)火箭發(fā)動機利用反沖力作為火箭動力的原理，還包含了一種新的動力模式，可以更加有效的利用燃料所產(chǎn)生的熱能。使火箭所產(chǎn)生的推動力要大于火箭向后噴出氣體的動量。3、降低聲障效應和火箭燃氣熱能的利用     打破聲障技術(shù)上的問題已經(jīng)解決，這一點是通過拉瓦爾管來實現(xiàn)的。我們下面就來探討這個問題，由于涉及到火箭發(fā)動機的動力問題，我們?nèi)匀灰獜幕鸺齽恿ι祥_始。  我們先來看第一個問題：  一、火箭發(fā)動機噴管收縮的原理  火箭發(fā)動機工作時的力學狀態(tài) 上圖是火箭發(fā)動機的關于噴管收縮的原理簡圖：在火箭發(fā)動機正常工作的情況下，單位時間內(nèi)燃燒的燃料我們看作一個定值。換句話說，經(jīng)過火箭發(fā)動機噴管噴出的氣體是一個定值。這里我們采用氣體分子的數(shù)量來進行說明。       圖中的小白球所表示的是氣體分子，實心箭頭表示的使氣體分子和燃燒室壁的碰撞?？招募^表示的是氣體分子的宏觀運動方向。   由于燃料燃燒產(chǎn)生大量的熱量，而這些熱量都會以氣體分子的高速運動形式以動量的形式（當然傳統(tǒng)的說法動能更為合理）。由于火箭發(fā)動機是采用大量氣體分子從噴管高速噴出來進行工作，并且單位時間內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的氣體分子的數(shù)量等于單位時間內(nèi)火箭發(fā)動機噴管向后噴出的氣體分子。因此，由于溫度傳導所產(chǎn)生的降溫作用我們是可以略而不計的。因此火箭發(fā)動機工作過程中氣體的溫度和氣體分子的運動速度我們可以近似看作一個常數(shù)。即：火箭發(fā)動機正常工作的時候，氣體分子的溫度所標示的氣體分子的運動速度為一個定值。當然，這樣的看法是在統(tǒng)計的意義上來說的。   如果我們從物質(zhì)運動變化的角度來看火箭發(fā)動機的工作原理，那么，從具有確定運動速度的氣體分子和火箭發(fā)動機本身的作用上來看待這個問題，這是從物理的角度上唯一合理的解釋方法。高溫的燃氣分子和燃燒室的作用就在于燃氣分子和燃燒室的碰撞。我們從它們之間的碰撞可以得到火箭發(fā)動機的力學動力過程。   關于火箭動力的簡單計算   首先我們來看圖一：在火箭燃燒室中（剖面圖、二維圖），如果燃燒室是三面封閉，在運動的后方是出口，那么氣體分子和A面的碰撞則會使A面產(chǎn)生一個向前的力，受力的方向，也是實心箭頭的方向。在燃燒室封閉的另兩面，由于氣體分子和器壁碰撞的大小相等、方向相反，因此，可以認為在封閉面的其它方向不受作用力。由于空心箭頭的方向沒有器壁，因此沒有作用力。這樣，就提供給我們計算火箭推動理論的一種方法。   假設A面的面積為S，單位面積單位時間的碰撞次數(shù)為n，一個氣體分子一次碰撞提供的沖量為ft。那么，火箭單位時間內(nèi)所獲得的動量為Snft   噴管的截面積和火箭動力的關系   現(xiàn)行的火箭發(fā)動機不是如上圖一中的設置，這是因為這種火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設置所提供的動力很低，并且熱能的利用率很低。通常都是采用圖二中的設置，減少火箭噴氣口的截面積，即通常所說的使火箭的噴管收縮。   如果我們還假設火箭發(fā)動機單位時間燃燒的燃料不變，那么單位時間內(nèi)燃料燃燒所產(chǎn)生的氣體分子的數(shù)量也不變。同時，如果火箭穩(wěn)定工作，那么火箭噴氣口單位時間里噴出的氣體的數(shù)量必然等于單位時間內(nèi)火箭噴口單位時間里噴出的氣體分子的數(shù)量。我們再來看和真實火箭發(fā)動機接近的這個原理圖——圖二。   為了便于數(shù)學聲的描述，我們采用比較的方法來說明火箭噴管的截面積和功率的關系。   在圖二中，由于我們收縮了火箭噴氣口，那么，以前的計算方法則不能使用了。這是因為經(jīng)過噴氣口收縮之后，在B位置和C位置增加了氣體分子的碰撞面積，并且氣體分子在這個碰撞面的碰撞方向和A面是相反的作用方向。因此是火箭向前運動的作用碰撞則要去掉這一部分。即A面的面積減去B面和C面的面積，這才是火箭噴氣口收縮后的有效面積。我們知道，這部分面積等于噴氣口的截面積。   我們知道，火箭燃料燃燒后產(chǎn)生的熱量是以氣體分子的高速運動的內(nèi)能存在的，氣體分子的運動速度不會由于我們減少噴管的截面積，增大燃燒室的氣體壓力而增加。氣體分子碰撞一次所給與燃燒室的作用是不變的。而不同的則是單位面積單位時間的碰撞次數(shù)不同。   形成單位時間單位面積氣體分子和燃燒室的碰撞次數(shù)不同主要有兩種原因形成。   一種是氣體分子的密度造成。   我們先來看一下在兩個圖中形成燃氣分子密度差異的原因和關系。   我們知道，氣體分子在燃燒過程中產(chǎn)生的分子的熱能所標示的氣體分子的運動速度。由于氣體分子的運動速度非常高，因此，氣體分子在燃燒室中擴散的過程所形成的密度分布狀態(tài)當作一種穩(wěn)定的分布狀態(tài)。因此我們可以這樣近似的處理這一問題。如圖： 如果火箭發(fā)動機的噴管截面積減少一倍，并且單位時間內(nèi)通過噴氣口截面積的氣體數(shù)量為一常數(shù)。由于氣體分子的: 回答者：網(wǎng)友

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