火箭发动机的性能参数

火箭发动机的基本性能参数
（1）推力
火箭发动机的推力就是作用在发动机内外表面的各种力的合力。

图3-2所示为发动机的推力室，它由燃烧室和和喷管两部分组成。

作用在推力室上的力有推进剂在燃烧室内燃烧产生的燃气压力p e ,外界的大气压力p 0，以及高温燃气进过喷管以很高的速
度向后喷出所产生的反作用力。

由于喷管开口，作用在推力室内外壁的压力不平衡，产生向前的一部分推力，加上喷气流所产生的反作用力，发动机推力的合力为 e e e A p p mu F )(0-+= （3.1） 式中，F 为发动机推力（N ）；m 为喷气的质量流率，即单位时间的质量流量(kg/s);e u 为喷管出口的喷气速度（m/s ）；
p e 为推力室内燃气的压力（Pa ）；p 0为外界大气的压力（Pa ）;e A 为喷管出口的截面积（m 2）
从公式（3.1）可知，火箭发动机的推力由两部分组成。

第一部分是由动量定理导出的mu e 项，它是推力的主要部分，占总推力的90%以上。

成为动推力。

它的大小取决于喷气的质量流率和喷气速度，前者实际上等于单位时间推进剂的消耗量。

为了获得更高的喷气速度，要求采用高能的推进剂，并使推进剂的化学能尽可能多地转换为燃气的动能。

第二部分是由于喷管出口处燃气压力和大气压力不同所产生的A(p 0p e -)项，与喷管出口面积及外界大气的压力有关，称为静推力。

显然，静推力随外界大气压力的减小而增大。

这是3.2.1节讲过的 火箭发动机的主要特点之一。

为方便起见，定义p e =p o 时发动机的工作状态为设计状态。

在设计状态下静推力等于零，总推力等于动推力，称之为特征推力或额定推力。

用F e 表示，则:
F e =mu e (3.2)
一般情况下，发动机的额定推力是不变的。

发动机在接近真空的条件下工作时，
p 0 =0，这时的推力称为真空推力，发动机的推力达到最大值。

(2)冲量和总冲
物理学中定义作用力和作用时间的乘积为冲量。

对于火箭发动机，推力与工作时间的乘积就是发动机的总冲量，简称总冲。

通常情况下，可以近似认为推力为常数，则火箭发动机的总冲为
I=Ft (3.3)
式中，I 为总冲（N ·s ） ;t 为发动机工作时间（S ）；
如果发动机的推力随时间变化，其总冲可用积分表示
I=⎰t
fdt 0
（3.4）
总冲综合了发动机的推力及其作用时间，是火箭发动机的一项重要性能参数，反映了发动机能力的大小，决定了火箭的射程和有效载荷运载能力的大小。

(3)比冲和比推力
火箭发动机在稳定工作状态下，每单位质量推进剂所产生的冲量为比冲。

即 I s =m p
I (3.5)
式中，I s 为比冲（m/s ）;m p 为推进剂的总有效质量（kg ）。

比冲是火箭发动机最重要的性能参数。

如发动机的总冲一定，比冲越高，则所需的推进剂越少，相应发动机的尺寸和质量都可以降低；或者说，如推进剂的质量给定，比冲越高则总冲就越大，相应火箭的射程或有效载荷也增加。

比推力的定义是单位时间推进剂消耗量（秒耗量）所产生的推力，即
⋅=m F P s （3.6）
上式右边的分子和分母都同乘以发动机的工作时间t ，则得到与式（3.5）相同的右边项。

所以，尽管比冲和比推力在定义和物理意义上有区别，但它们的数值和量纲是相同的。

比冲和比推力都可以取瞬时值，也可以取发动机工作过程中某一时间区间的平均值。

一般固体发动机难以直接测量其推进剂的秒耗量，多采用总冲和比冲的概念；液体发动机直接测量秒耗量和推力比较方便，常用推力和比推力表示。

（4）密度比冲
推进剂组合密度与比冲的乘积称为密度比冲，即
V m I I p
p P I I =
==ρρρ (3.7) 显然，它等于单位体积推进剂所产生的冲量，因此又称为体积比冲。

密度比冲是综合评定推进剂性能的一个重要参数，密度比冲高，推进剂储箱就可以做得小些，火箭结构的质量就可以减小。

通常火箭的下面级希望采用密度比冲高的推进剂。

（5）工作时间
火箭发动机的工作时间是指飞行时发动机产生推力的时间。

火箭发动机推进剂的秒
耗量一般很大，所以工作时间一般也很短。

大型液体火箭发动机工作时间通常为100-500秒，大型固体火箭发动机工作时间在100秒左右。

小型火箭发动机根据不同的使用要求，工作时间变化较大，可以使脉冲式或长时间的工作方式。

（6）能量效率
能量效率是指由推进剂的化学能转变为高速喷气动能过程的效率。

火箭发动机的能量效率包括燃烧效率、喷管效率和输送系统效率。

总效率等于上述3种效率的乘积。

燃烧效率反映推进剂在燃烧室不完全损失和燃烧产物的分解损失等。

燃烧效率是火箭发动机燃烧室设计水平的重要指标，现代火箭发动机的燃烧效率在0.97―0.995范围内。

喷管效率反映燃气在喷管收缩、膨胀过程中的损失，包括摩擦、激波、化学不平衡、散热等引起的损失，与喷管的型面有关。

现代火箭发动机的喷管效率在0.96-0.99范围内。

输送系统效率是衡量液体火箭发动机推进剂输送系统动力所消耗的发动机能量的参数。

现代液体火箭发动机的输送系统效率在0.98-1之间。