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空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造原理

可以附圖更好這是一個(gè)不錯(cuò)的項(xiàng)目發(fā)展空間應(yīng)該會很大我這里有條件可以做這個(gè)項(xiàng)目只是時(shí)間不是很允許所以先問一下那位不吝賜教合作也可以啊: 問提問者：網(wǎng)友 | 2020-09-15

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通常我們將這種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)叫做利用反沖力工作的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是浪費(fèi)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。: 回答者：網(wǎng)友

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 關(guān)于空氣動(dòng)力方面的知識，在人類進(jìn)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(yàn)知識。因此本文從物理的角度（物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化原理），而不是從工程的角度或者從數(shù)學(xué)的角度來說明關(guān)于航空航天的動(dòng)力。并提出一種提高航空航天動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)物體間的作用，由于阻力很大，那么在水中航行的船體，動(dòng)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(yùn)動(dòng)的物體在聲速附近運(yùn)動(dòng)時(shí)還會受到聲障的影響。  空氣中運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)力1、經(jīng)典的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)    在現(xiàn)今的航空航天動(dòng)力應(yīng)用中，高速運(yùn)行的飛機(jī)、火箭、飛船都是采用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的動(dòng)力。當(dāng)然低速飛機(jī)則主要采用機(jī)械動(dòng)力螺旋槳作為飛機(jī)飛行的主要?jiǎng)恿?。低速飛機(jī)則不在本文的考察范圍之內(nèi)。本文僅對噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要的分析對象，來分析火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行動(dòng)力問題?，F(xiàn)行的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)都可近似的看作左圖的動(dòng)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(dòng)機(jī)獲得推動(dòng)力。     如上的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)于動(dòng)力的大小有一個(gè)簡單的近似計(jì)算模式，這個(gè)計(jì)算模式就是噴口的最小截面積和燃燒室中壓強(qiáng)的乘積。但實(shí)際上這樣計(jì)算的結(jié)果是略小于火箭的真實(shí)動(dòng)力。這是因?yàn)椋瑖姽芎竺嫱ǔＳ幸粋€(gè)擴(kuò)張管，另一方面，還和氣體分子的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在后面我們要討論這個(gè)問題。  通常我們將這種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)叫做利用反沖力工作的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是浪費(fèi)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(diǎn)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(dòng)機(jī)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(yīng)。      如湍流、聲波導(dǎo)致的空氣壓力、氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度增加等等現(xiàn)象。我們這里首先假設(shè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的功率是不變的，即單位時(shí)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(guān)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(dāng)噴出氣體截面積和壓力確定的情況下，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的這一些列的效應(yīng)強(qiáng)度同沖出火箭噴口的密度成正比。  當(dāng)噴出氣體的壓力和密度確定的情況下，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的這一些列的效應(yīng)強(qiáng)度同沖出火箭噴口的截面積成正比。  當(dāng)噴出氣體的截面積和密度確定的情況下，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的這一些列的效應(yīng)強(qiáng)度同沖出火箭噴口的壓力成正比。  聲波可以導(dǎo)致氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度周期性的增加，這一點(diǎn)可參見速度的問題之三————震動(dòng)與波（下）。  我們知道，當(dāng)火箭的運(yùn)動(dòng)速度接近聲速時(shí)，那么火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的聲波會近似駐留在火箭到火箭的前端一帶，因?yàn)槁曇粢苍谙蚧鸺\(yùn)動(dòng)的前方運(yùn)動(dòng)。我這里把這種效應(yīng)叫做聲波效應(yīng)。如果火箭以這種速度飛行的話，那么火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的聲波效應(yīng)，可以認(rèn)為包括使空氣的氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度增大、聲壓等所形成的空氣阻力增大會不斷的增加。因?yàn)橐粋€(gè)時(shí)刻火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的火箭前端的阻力不消失的情況下，在這一時(shí)刻后面的時(shí)刻所產(chǎn)生的聲波效應(yīng)又產(chǎn)生了。這樣隨著時(shí)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(dòng)機(jī)給與火箭的動(dòng)力相等，火箭就穩(wěn)定在這一速度狀態(tài)下飛行。當(dāng)然，阻力的增大會導(dǎo)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(dòng)。但是火箭的動(dòng)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(dòng)力，使火箭飛行速度在接近聲障時(shí)在極短的時(shí)間內(nèi)跨過聲障。比如準(zhǔn)備一個(gè)備用發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)?shù)竭_(dá)聲障時(shí)，啟動(dòng)另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。增大一倍的動(dòng)力。當(dāng)然，倘若不能在較短的時(shí)間內(nèi)使火箭的速度跨過聲速，那么兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的聲波效應(yīng)會使阻礙火箭運(yùn)動(dòng)的聲波效應(yīng)增強(qiáng)一倍。累積到某一阻力的時(shí)間也要減小一倍?；鸺恼饎?dòng)程度會迅速的增加。倘若不能在較短的時(shí)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(dǎo)致火箭在聲障效應(yīng)中報(bào)廢。  第二種方法是降低火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的聲波效應(yīng)。  如上兩種方法中存在另一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力模式，這種發(fā)動(dòng)機(jī)不但包含了傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)利用反沖力作為火箭動(dòng)力的原理，還包含了一種新的動(dòng)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(dòng)力要大于火箭向后噴出氣體的動(dòng)量。3、降低聲障效應(yīng)和火箭燃?xì)鉄崮艿睦?amp;nbsp;    打破聲障技術(shù)上的問題已經(jīng)解決，這一點(diǎn)是通過拉瓦爾管來實(shí)現(xiàn)的。我們下面就來探討這個(gè)問題，由于涉及到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力問題，我們?nèi)匀灰獜幕鸺齽?dòng)力上開始。  我們先來看第一個(gè)問題：  一、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管收縮的原理  火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的力學(xué)狀態(tài) 上圖是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)于噴管收縮的原理簡圖：在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的情況下，單位時(shí)間內(nèi)燃燒的燃料我們看作一個(gè)定值。換句話說，經(jīng)過火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管噴出的氣體是一個(gè)定值。這里我們采用氣體分子的數(shù)量來進(jìn)行說明。       圖中的小白球所表示的是氣體分子，實(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式以動(dòng)量的形式（當(dāng)然傳統(tǒng)的說法動(dòng)能更為合理）。由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是采用大量氣體分子從噴管高速噴出來進(jìn)行工作，并且單位時(shí)間內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的氣體分子的數(shù)量等于單位時(shí)間內(nèi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管向后噴出的氣體分子。因此，由于溫度傳導(dǎo)所產(chǎn)生的降溫作用我們是可以略而不計(jì)的。因此火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中氣體的溫度和氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度我們可以近似看作一個(gè)常數(shù)。即：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的時(shí)候，氣體分子的溫度所標(biāo)示的氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度為一個(gè)定值。當(dāng)然，這樣的看法是在統(tǒng)計(jì)的意義上來說的。   如果我們從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的角度來看火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，那么，從具有確定運(yùn)動(dòng)速度的氣體分子和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)本身的作用上來看待這個(gè)問題，這是從物理的角度上唯一合理的解釋方法。高溫的燃?xì)夥肿雍腿紵业淖饔镁驮谟谌細(xì)夥肿雍腿紵业呐鲎病Ｎ覀儚乃鼈冎g的碰撞可以得到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的力學(xué)動(dòng)力過程。   關(guān)于火箭動(dòng)力的簡單計(jì)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(yùn)動(dòng)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(gè)向前的力，受力的方向，也是實(shí)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(rèn)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(jì)算火箭推動(dòng)理論的一種方法。   假設(shè)A面的面積為S，單位面積單位時(shí)間的碰撞次數(shù)為n，一個(gè)氣體分子一次碰撞提供的沖量為ft。那么，火箭單位時(shí)間內(nèi)所獲得的動(dòng)量為Snft   噴管的截面積和火箭動(dòng)力的關(guān)系   現(xiàn)行的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不是如上圖一中的設(shè)置，這是因?yàn)檫@種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)置所提供的動(dòng)力很低，并且熱能的利用率很低。通常都是采用圖二中的設(shè)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(shè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間燃燒的燃料不變，那么單位時(shí)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(shí)，如果火箭穩(wěn)定工作，那么火箭噴氣口單位時(shí)間里噴出的氣體的數(shù)量必然等于單位時(shí)間內(nèi)火箭噴口單位時(shí)間里噴出的氣體分子的數(shù)量。我們再來看和真實(shí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)接近的這個(gè)原理圖——圖二。   為了便于數(shù)學(xué)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(guān)系。   在圖二中，由于我們收縮了火箭噴氣口，那么，以前的計(jì)算方法則不能使用了。這是因?yàn)榻?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(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的內(nèi)能存在的，氣體分子的運(yùn)動(dòng)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(shí)間的碰撞次數(shù)不同。   形成單位時(shí)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(gè)圖中形成燃?xì)夥肿用芏炔町惖脑蚝完P(guān)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(biāo)示的氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度。由于氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度非常高，因此，氣體分子在燃燒室中擴(kuò)散的過程所形成的密度分布狀態(tài)當(dāng)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(dòng)機(jī)的噴管截面積減少一倍，并且單位時(shí)間內(nèi)通過噴氣口截面積的氣體數(shù)量為一常數(shù)。由于氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度為一常數(shù)。那么我們只能得到氣體分子的密度要增大一倍的結(jié)論。  （注：我圖畫的不標(biāo)準(zhǔn)，僅為了說明原理）     由于氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度是相同的，那么由于氣體分子增加一倍，單位時(shí)間內(nèi)由于分子數(shù)量增加一倍，那么，我們可以得到，僅在參與氣體分子碰撞的數(shù)量增加一倍，會導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)氣體分子和單位面積器壁的碰撞次數(shù)會增加一倍。（這并沒有考慮氣體分子的自由程的問題，下面我們就要說到）   另一種是氣體分子的自由程減小。  如果在屋子里中間打開一瓶香水，那么在屋子邊緣站立的人總是需要一段時(shí)間才會聞到香水味道。因此，香水分子在空間中不是一直沿直線運(yùn)動(dòng)，而是不斷的和空氣分子發(fā)生碰撞。那么作為在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的高溫氣體也不例外，一個(gè)氣體分子和其它氣體分子相鄰兩次碰撞的間隔所運(yùn)動(dòng)的距離，我們通常把它叫做氣體分子的自由程。  如果氣體分子的密度增加一倍，（如上圖）那么，一個(gè)分子的自由程就要減小一倍。同時(shí)，由于氣體分子的運(yùn)動(dòng)路程減小一倍，相應(yīng)來說，這個(gè)分子在單位時(shí)間里和其它氣體分子的碰撞次數(shù)就要增加一倍。那么，這種數(shù)量關(guān)系對于氣體分子和容器壁的碰撞仍然是有效的。如果火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管截面縮小一倍，那么燃燒室中的氣體分子密度會增加一倍，同時(shí)，由于氣體分子的自由程減小一倍而導(dǎo)致氣體分子和燃燒室壁見的碰撞次數(shù)，單位面積會增加一倍。  在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管截面積減少一倍后，我們可以得到此時(shí)的火箭在單位時(shí)間所獲得的動(dòng)力。  火箭所獲得的動(dòng)力來自于氣體分子和燃燒室的有效碰撞，這個(gè)有效碰撞截面積等于火箭噴管的截面積。因此我們只需要計(jì)算火箭噴管面積上單位時(shí)間內(nèi)所獲得的動(dòng)力。  火箭噴管沒有收縮時(shí)的截面積為S，單位面積單位時(shí)間的碰撞次數(shù)為n，一個(gè)氣體分子一次碰撞提供的沖量為ft。那么，火箭單位時(shí)間內(nèi)所獲得的動(dòng)量為Snft   火箭噴管沒有收縮一半后的截面積為（1/2）S，單位面積單位時(shí)間的碰撞次數(shù)為4n，一個(gè)氣體分子一次碰撞提供的沖量為ft。那么，火箭單位時(shí)間內(nèi)所獲得的動(dòng)量為（1/2）S4nft  這樣我們可以得到火箭噴管截面積收縮一倍后和火箭沒有收縮時(shí)獲得的動(dòng)力的關(guān)系。 我們可以看到，噴管收縮后火箭在單位時(shí)間內(nèi)所獲得的動(dòng)量是火箭噴管沒有收縮時(shí)的兩倍。   二、收縮火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和火箭獲得的動(dòng)力同聲障的關(guān)系    以上我們可以看到，收縮火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管，可以使火箭的推進(jìn)力成倍的增加。前面我們已經(jīng)探討了聲障效應(yīng)和噴管噴出的氣體的截面積、壓力、密度的關(guān)系。收縮火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管，那么它所造成的聲障效應(yīng)也會成倍的增加。但聲障有這樣的特點(diǎn)，就是在火箭的飛行速度接近聲速時(shí)，聲障效應(yīng)會以聲波的速度駐留在火箭的前方，造成阻礙火箭的阻力不斷的增加，并給與火箭周期性的作用力，形成振顫。如果火箭可以和聲波效應(yīng)形成共振的話，那么這樣的情況是很危險(xiǎn)的。如果火箭部件的性能不好，可能會導(dǎo)致火箭報(bào)廢，或者爆炸。    利用火箭噴管收縮的原理來提高火箭的動(dòng)力，會增加火箭跨過聲障時(shí)的危險(xiǎn)性。   三、火箭燃?xì)庵形幢挥行Ю玫囊环N能量   前面我們探討了利用傳統(tǒng)意義上火箭燃?xì)夥礇_的物理解釋。那么，傳統(tǒng)的意義上這來自于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。如上的原理可以認(rèn)為是動(dòng)量守恒定律。但是實(shí)際上，火箭這樣作用力反作用力模式對熱能的利用太浪費(fèi)了?；鸺拿恳淮紊斩紩诖髿庵嗅尫糯罅康臒崮?。當(dāng)然，這是沒有辦法的事情。至少在目前為止，還沒有其它的有效動(dòng)力方案來替代這種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式。這種熱能僅在理論上被火箭利用一次。在這里我提出一種對熱能的新的利用方法，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對熱能的第二次利用?；鸺紵抑袣怏w分子沖出噴管時(shí)的狀態(tài)     我們先來看一下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)的燃?xì)夥肿拥姆植紶顟B(tài)。如圖：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)，燃燒室內(nèi)腔的氣體分子都在進(jìn)行無序運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)在進(jìn)行著碰撞。氣體分子的運(yùn)動(dòng)方向是沿火箭發(fā)動(dòng)機(jī)受力方向的反方向。沿火箭運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的燃?xì)夥肿咏o與火箭燃燒室的碰撞作用力的方向是使火箭獲得一個(gè)向前的力。    如果噴口的長度很短，那么氣體分子的運(yùn)動(dòng)方向可以認(rèn)為是沿矢量，大量的燃?xì)夥肿酉蚝笈懦?。這就是反沖作用力的原理。       在這種氣體分子的運(yùn)動(dòng)過程中，氣體分子的狀態(tài)不是一種正常的溫度狀態(tài)，是一種相對于火箭燃燒室高速運(yùn)動(dòng)的矢量狀態(tài)。這些氣體分子沿確定方向運(yùn)動(dòng)存在一個(gè)特點(diǎn)。在氣體分子排出噴管的最初截面時(shí)，氣體分子的運(yùn)動(dòng)方向都是不大于噴管中心軸方向的90度。如右圖：    火箭噴出去的這種分子不能在提供給火箭沿火箭運(yùn)動(dòng)方向的作用力。我們不能采用常規(guī)的方法使這種運(yùn)動(dòng)的氣體分子還能對火箭提供向前的動(dòng)力。這樣的結(jié)論是將火箭噴管的長度看作極短來處理的。實(shí)際上，這在技術(shù)上是不能達(dá)到如此嚴(yán)格的，這是一種近似處理的方法。    但是，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)是一種很特殊的運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為氣體分子運(yùn)動(dòng)方向的無序性。即便再由某種特定運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向的氣體分子，在一定時(shí)間后，經(jīng)過氣體分子間的彈性碰撞，氣體分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在運(yùn)動(dòng)方向上一定是無序的。這就需要對火箭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊的處理。通過擴(kuò)張噴管的截面積，利用氣體分子的熱能，從而使氣體分子仍然可以對火箭提供一定的動(dòng)力。    使火箭噴管噴出的在運(yùn)動(dòng)方向上具有矢量屬性的氣體恢復(fù)到正常溫度氣體分子的無序運(yùn)動(dòng)的方法    可通過如下的方法：    （1）改變噴管和燃燒室接口的結(jié)構(gòu)。    本文在如上的關(guān)于火箭燃燒室的簡圖僅是為了說明火箭的工作原理圖。它不是真正意義上的火箭燃燒室。真正的火箭燃燒室不能是如上的方形的結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)在減少火箭的重量上來說也是這樣，通常都把它做成圓形的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也便于耐壓。    如果要采用噴出噴管的高溫高壓氣體繼續(xù)對火箭提供向前運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)力，那么燃燒室和噴管的接口要求是如下的形狀，如圖：燃燒室和噴管接口的有一定坡度的收縮，僅是為了要提高溫氣體的紊亂程度，或者說是使高溫高壓氣體的熵增加。        （2）延長噴管的長度 由于從燃燒室沖出的燃?xì)夥肿拥倪\(yùn)動(dòng)速度很高，那么它會在極短的時(shí)間內(nèi)沖出噴管。這樣，采用熱能的方法來提高火箭燃?xì)獾牡诙卫玫男适呛艿偷摹Ｄ敲?，延長高溫高壓的燃?xì)庠趪姽苤械臅r(shí)間則是很重要的。應(yīng)盡量延長噴管的長度。如圖： 如上是兩種外觀形式的噴管，左邊的噴管可應(yīng)用于加工精度不高的噴管，利用效率較低。右邊噴管則要求加工精度一定要高，如果達(dá)不到要求，那么使火箭利用熱能的二次利用效率也很低。但倘若加工精度可以的話，可以在燃燒相同燃料、噴管截面積相同的前提下，單位時(shí)間內(nèi)大大提高火箭所獲得的動(dòng)量。    （3）對噴管加工的要求   噴管由于是利用火箭燃燒室高速噴出的氣體工作，因此，有它特殊的要求。   我們來看一下高溫高壓氣體和高溫燃?xì)獾淖饔们闆r：   如圖： 圖中是火箭噴管和一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的氣體分子在碰撞過程中的受力分析。從圖中我們可以看到，雖然氣體分子的運(yùn)動(dòng)方向是向火箭后方高速運(yùn)動(dòng)的，但是它和噴管碰撞后，起作用力的總效果則會對火箭沿運(yùn)動(dòng)方向有一個(gè)小的貢獻(xiàn)。這個(gè)作用力的大小則等于火箭給與噴管作用力和坐標(biāo)y的夾角θ正弦的乘積。    實(shí)際上，只要是高溫高壓的氣體分子和火箭噴管內(nèi)表面的所進(jìn)行的碰撞，只要是燃?xì)鈿怏w的運(yùn)動(dòng)方向是背離火箭的運(yùn)動(dòng)方向。那么我們根據(jù)彈性碰撞，這種碰撞過程的作用結(jié)果，必然是要給與火箭一個(gè)加速的力。這一點(diǎn)是由噴管的圓錐狀的結(jié)構(gòu)來決定的。       由于火箭燃?xì)馐峭ㄟ^火箭噴管向后噴出的，在氣體分子的運(yùn)動(dòng)方向上，則主要是沿火箭加速反方向運(yùn)動(dòng)的燃?xì)夥肿樱m然這種作用力在一次碰撞后雖然給與火箭的動(dòng)力從碰撞過程的比值關(guān)系上來說是很微弱的，但是由于分子的高速運(yùn)動(dòng)，幾乎全部是沿火箭運(yùn)動(dòng)的反方向的燃?xì)夥肿?，因此這種作用力累積起來，也是一種不能忽視的一種作用力，它給與火箭增加的動(dòng)力應(yīng)該是非?？捎^的。后面我們要提到這種作用力的估算方法。    當(dāng)然，我們圖中所畫的時(shí)隨意一個(gè)氣體分子給與火箭噴管的作用。我們所采用的分析方法中所應(yīng)用的噴管表面則是采用絕對光滑的平面來進(jìn)行處理的。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，絕對光滑的平面是不存在的。只能是某種情況下的一種近似處理。這就要求我們要在制作火箭噴管的時(shí)候，一定要最大限度的將火箭噴管的內(nèi)表面制作的光滑，這樣會減少火箭燃?xì)馑o于的阻力。如圖：這個(gè)圖和上面那個(gè)圖是相類似的，不同的是，在這個(gè)圖的坐標(biāo)原點(diǎn)有一個(gè)小白球，它表示的是噴管表面一個(gè)不規(guī)則的突起。圖中所畫的箭頭是相似的，因此這里就沒有給語文字形的標(biāo)注。   從圖中我們可以看到，由于凸起的存在，那么燃?xì)夥肿雍瓦@個(gè)突起進(jìn)行碰撞也會產(chǎn)生一個(gè)阻力，其大小仍然等于這個(gè)作用力的大小則等于火箭給與噴管作用力和坐標(biāo)y的夾角θ正弦的乘積。但是，由于噴管的碰撞點(diǎn)上傾斜方向的不同，這個(gè)力要遠(yuǎn)大于上一個(gè)圖中由于燃?xì)夥肿雍蛧姽鼙谂鲎菜@得的動(dòng)力。       因此，采用噴管擴(kuò)張技術(shù)來獲得火箭噴出的高溫燃?xì)饨o與火箭利用熱能的二次利用，和噴管材料的表面有著非常重要的關(guān)系。噴管的這個(gè)加工表面的光滑程度越高?；鸺裏崮艿亩卫寐室苍礁?。   （4）火箭的噴管錐體的角度特點(diǎn)。    如圖： 火箭噴管從火箭收縮管結(jié)束的時(shí)候開始擴(kuò)張，那么采用什么樣的擴(kuò)張途徑有利于燃?xì)鉄崮艿牡诙卫媚兀?amp;nbsp;   我們從擴(kuò)張管的方向延長線的交角來討論這個(gè)問題。如圖:如果我們采用的這個(gè)張角過大，那么火箭噴管的長度自然要減小。這樣導(dǎo)致在燃?xì)馔ㄟ^火箭噴管（擴(kuò)張管）的時(shí)間會減少，同時(shí)，燃?xì)獾奈蓙y程度也不會增加很多，利用燃?xì)夥肿拥臒崮芎突鸺龜U(kuò)張管的碰撞來實(shí)現(xiàn)的燃?xì)夥肿訜崮艿亩卫寐蕦档?。換句話說，效率不高。    如果我們采用的這個(gè)張角過小，那么火箭噴管的長度自然要延長。雖然一個(gè)燃?xì)夥肿雍蛧姽艿囊淮巫饔媒o與火箭的動(dòng)力要減小，但是燃?xì)夥肿雍蛧姽艿淖饔妹娣e   會增加。我認(rèn)為對噴管采用較小的張角對于提高火箭的動(dòng)力是非常有利的。但這里需要說明的是，對于加工精度不高的火箭噴管，建議還是采用適中的角度。否則，會增加的推動(dòng)火箭的阻力。這樣的應(yīng)用意義不大，而僅減少在聲波范圍內(nèi)的聲波效應(yīng)——聲障。   另一方面，增加噴管張角會使用較多的耐高溫高壓的材料，這樣會提高一定的成本。   （5）火箭噴管的最大截面積  如圖： 火箭噴管的截面積的大小在太空中對于火箭的阻力沒有關(guān)系，因此在太空中運(yùn)動(dòng)的火箭應(yīng)該盡量增大火箭噴管的最大截面積，但是火箭在空氣中飛行則不同了。因?yàn)槿绻鸺龂姽艿慕孛娣e大于火箭的直徑之后，火箭噴管則由于空氣的阻力要對火箭運(yùn)動(dòng)的方向產(chǎn)生阻力。這對于高速運(yùn)動(dòng)的物體來說，阻力是很大的。但是，隨著火箭噴管截面積的擴(kuò)張，在噴管外層的燃?xì)夥肿咏o與火箭的動(dòng)能將減小，這樣，對于長時(shí)間在空氣中運(yùn)行的火箭來說，這個(gè)火箭噴管的最大截面不能大于火箭的直徑太多。       （6）關(guān)于火箭動(dòng)力的計(jì)算方案   關(guān)于采用擴(kuò)張火箭噴管的可以增獲多大的動(dòng)量。我想可以存在這樣簡單的計(jì)算方法。   一種簡單的計(jì)算方法是采用燃?xì)庠诨鸺龂姽荞v留的壓力來采用力的模式計(jì)算?？梢员硎境桑篎=Ps。其中F是采用這種熱能的方法產(chǎn)生的力的大小。P是火箭噴管的最大截面積減去火箭收縮管的截面積的平均壓強(qiáng)。S是火箭噴管的最大截面積減去火箭收縮管的截面積。   另一種較為精密點(diǎn)的計(jì)算方法則是針對噴管不同位置處單位時(shí)間單位面積的的燃?xì)夥肿拥呐鲎泊螖?shù)碰撞方向力的大小來對整個(gè)火箭噴管二次利用熱能的有效面積積分的方法來實(shí)現(xiàn)。   （7）對火箭燃?xì)獠捎脟姽軘U(kuò)張的方法增加動(dòng)力在空氣中飛行的意義——降低聲波效應(yīng)   前面我們已經(jīng)探討過火箭或者飛行器在空氣中飛行的超音速問題。在跨過聲障的問題上，通過擴(kuò)張火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管來實(shí)現(xiàn)的，通常把它叫做拉瓦爾管。拉瓦爾管在火箭技術(shù)上的應(yīng)用中有兩種作用：  一種作用是增加火箭的推進(jìn)力。前面已經(jīng)討論了這個(gè)問題，這里不再討論。  另一種作用則是將火箭燃燒室中噴出的高密度高壓的氣體，進(jìn)行低密度低壓處理，大大降低聲波效應(yīng)，是解決聲障問題的首選方法。關(guān)于降低聲波效應(yīng)的計(jì)算方法，我沒有理想的計(jì)算方法。不過可以確定，如果不采用擴(kuò)張管來降低聲波效應(yīng)，兩者的關(guān)系為：火箭噴管的最小截面和最大截面的比值成反比。這個(gè)問題是否是這樣，還要向各位聲學(xué)專家請教。我的想法是這樣：     首先確定，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不變。高壓高密度燃?xì)庠诨鸺龂姽艿淖畲蠼孛婧妥钚〗孛娴拿芏仁遣煌?，可以采用統(tǒng)計(jì)的方法根據(jù)氣體分子在相互碰撞過程中均分的原則，可以得到，燃?xì)夥肿拥拿芏韧趦蓚€(gè)截面上的大小和它們面積的比值成反比。   從燃?xì)夥肿雍屯饨绲淖饔贸潭壬蟻砜矗◤呐鲎泊螖?shù)上來看），密度的變化如果是成倍的提高，那么和外界碰撞次數(shù)的變化則會是雙倍的提高。和外界作用的問題，在噴管的截面積和火箭動(dòng)力的關(guān)系已經(jīng)對這個(gè)問題說明過了。可參閱。那么，就可以得到燃?xì)夥肿釉趦蓚€(gè)不同截面口給與外界的作用的關(guān)系為：兩個(gè)截面上的面積的比值成反比。  （8）如何有效的利用燃料燃燒所釋放出的動(dòng)能   通過如上的分析，我們可以得到，可以通過兩種方法合并去最大限度的利用燃料燃燒所釋放出的熱能推動(dòng)飛行器。   一種方法是最大限度的收縮火箭內(nèi)噴氣口。（火箭噴管的最小截面積）。這需要我們研制耐高壓高溫的材料，從而獲得較高高壓高溫氣體。   另一種方法是最大限度的擴(kuò)張火箭的外噴氣口。（火箭噴管的最大截面積）。這需要我們研制新型的加工工藝，來實(shí)現(xiàn)火箭噴管的高度光滑。4、關(guān)于這是否算作一項(xiàng)新的技術(shù)問題   從分子運(yùn)動(dòng)變化的角度出發(fā)，我在這里推出了一個(gè)新的結(jié)論。但是這個(gè)新的結(jié)論在過去幾十年的航天事業(yè)的發(fā)展中，這些技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。那么，這算不算一項(xiàng)新的技術(shù)呢？對這個(gè)問題，我想還是留給后人去評論吧。但有一點(diǎn)可以確定，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用的技術(shù)沒有從原理上能給與合理的解釋，在這種意義上來說，這至少是一種新的技術(shù)理論。得到這個(gè)結(jié)論的依據(jù)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)違反動(dòng)量守恒定律的技術(shù)。如果從技術(shù)原理上給與合理的物理解釋，那么，我們現(xiàn)在物理學(xué)中的動(dòng)量守恒定律早已經(jīng)不存在了。關(guān)于這個(gè)問題，請參見火箭動(dòng)力技術(shù)和動(dòng)量守恒定律。: 回答者：網(wǎng)友

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(dòng)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(yùn)動(dòng)物體間的作用，由于阻力很大，那么在水中航行的船體，動(dòng)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(yùn)動(dòng)的物體在聲速附近運(yùn)動(dòng)時(shí)還會受到聲障的影響。: 回答者：網(wǎng)友

物體與空氣作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在物體上的力，簡稱氣動(dòng)力?？諝鈩?dòng)力學(xué)涉及多方面，最主要是飛行器和火箭等高速運(yùn)行物體。由于身邊全是空氣，包括動(dòng)車也又空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。: 回答者：網(wǎng)友

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