陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第8讲
火箭发动机原理
火箭发动机原理火箭发动机是一种能够产生推力的装置，它是现代航天技术中不可或缺的重要组成部分。
火箭发动机的工作原理主要是利用燃料和氧化剂的化学反应产生高温高压的气体，通过喷射这些气体产生的反作用力来推动火箭。
首先，火箭发动机的基本构成是燃烧室、喷管和喷嘴。
燃烧室是燃料和氧化剂混合并燃烧的地方，喷管是用来加速燃烧产生的高温高压气体，喷嘴则是用来将高速气体喷出，产生推力。
在发动机工作时，燃料和氧化剂被喷入燃烧室，经过点火后燃烧产生高温高压气体，然后通过喷管加速，最终从喷嘴喷出，产生推力。
其次，火箭发动机的推进力是由喷射出的高速气体产生的。
根据牛顿第三定律，每个作用力都有一个相等大小的反作用力，所以当高速气体从喷嘴喷出时，火箭就会受到相反方向的推力。
这就是火箭发动机产生推力的基本原理。
另外，火箭发动机的工作原理也与燃料的选择有关。
常见的火箭燃料有固体燃料和液体燃料两种。
固体燃料通常是将燃料和氧化剂混合成固体，然后在点火后燃烧产生推力。
而液体燃料则是将燃料和氧化剂分别储存在不同的容器中，然后在燃烧室内混合并燃烧。
最后，火箭发动机的工作原理也与喷嘴的设计有关。
喷嘴的形状和大小会影响喷出气体的速度和方向，从而影响火箭的推力和效率。
通常，喷嘴会采用喷嘴扩张理论，通过喷嘴内部的形状和结构来加速喷出气体，使其达到超音速甚至超高音速。
综上所述，火箭发动机是利用燃料和氧化剂的化学反应产生高温高压气体，通过喷射产生的反作用力来推动火箭的装置。
它的工作原理涉及燃烧室、喷管、喷嘴、燃料选择和喷嘴设计等多个方面。
火箭发动机的原理不仅是航天技术的基础，也是人类探索宇宙的重要工具。
火箭发动机的工作原理
火箭发动机的工作原理火箭发动机是现代航天技术的核心之一，它驱动着航天器在宇宙中航行。
火箭发动机的工作原理可以简单地概括为燃烧推进，它通过燃烧推进剂产生的高温高压气体的喷出来产生推力。
本文将详细探讨火箭发动机的工作原理以及其中涉及的关键概念和技术。
一、火箭发动机的基本组成部分火箭发动机主要由燃烧室、喷管和推进剂组成。
燃烧室是燃烧推进剂的地方，喷管则是气体扩张的场所，而推进剂则是提供燃料和氧化剂的物质。
1.1 燃烧室燃烧室是火箭发动机的核心部分，也是推进剂的燃烧地点。
在燃烧室中，推进剂的燃料和氧化剂以一定的比例混合，并在高温高压条件下燃烧。
这个过程中，发动机内部的压力急剧增加，温度也随之升高，形成高温高压气体。
1.2 喷管喷管是将高温高压气体转化为高速喷射气流的部分，也是产生推力的关键环节。
当高温高压气体通过喷管时，由于喷管的设计形状和结构，气体被迫排出，形成了高速喷射气流。
喷管内部的气流受到了喷管结构的控制，从而产生了巨大的推力用于推动火箭。
1.3 推进剂推进剂是火箭发动机中供给燃料和氧化剂的物质。
常见的推进剂有液体燃料和液体氧化剂，如液氧和液氢的混合物，在燃烧时会产生大量的热能和气体。
二、火箭发动机的工作原理可以简单地描述为，推进剂的燃烧产生高温高压气体，然后通过喷管喷射出来，从而产生反作用力推动火箭。
2.1 燃烧过程火箭发动机的燃烧过程是火箭发动机工作的核心。
燃烧室内的推进剂以一定的比例混合，然后被点燃。
在燃烧过程中，燃料和氧化剂发生化学反应，产生大量的热能和气体。
这些气体以极高的压力和温度喷出燃烧室，形成高速的喷射气流。
2.2 喷射过程喷射过程是火箭发动机运作的关键环节。
高温高压气体通过喷管时，受到喷管内部结构的控制，气体以高速喷射出来。
喷管内的喷射气流具有巨大的冲击力，因为根据牛顿第三定律，气体喷射出去时，相应的火箭会受到一个相反方向的反作用力，从而推动火箭向前运动。
2.3 反作用力与推力根据牛顿第三定律，反作用力与推力是相等且相反的。
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理火箭发动机是一种用于推进航天器的动力装置。
它采用喷气原理，通过喷出高速排气来产生推力，从而使航天器获得动力并进入太空。
火箭发动机工作原理可以分为燃烧室和喷管两个部分来详细解释。
一、燃烧室火箭发动机的燃烧室是发动机的核心部分，也是燃烧和产生高压高温气体的地方。
燃烧室的主要组成部分包括燃烧室壁、燃料和氧化剂喷嘴以及点火系统。
1. 燃料和氧化剂火箭发动机使用的燃料和氧化剂根据不同型号和设计有所不同，最常见的是液体燃料和氧化剂的组合，如液氢和液氧。
这种组合能够在燃烧时释放出大量的能量，创造高温高压的气体。
2. 燃料和氧化剂喷嘴燃料和氧化剂进入燃烧室后，需要通过喷嘴喷出，形成高速喷射的气体流。
燃料和氧化剂喷嘴的形状和结构设计得非常关键，它们的目标是将燃料和氧化剂尽可能充分地燃烧，并将产生的气体流以最大速度喷出。
3. 点火系统为了使燃料和氧化剂能够燃烧，需要一种可靠的点火系统。
点火系统通过提供能量来引发燃料和氧化剂的燃烧反应，一旦点火成功，燃烧室将不断释放出高温高压气体。
二、喷管喷管是将高温高压气体喷出，产生推力的部分。
喷管通常由喷管喉段和喷管扩张段组成。
1. 喷管喉段喷管喉段是喷管的狭窄部分，也是气体速度加速的过程。
由于喷口面积较小，气体流速增加，实现了喷射速度的提高。
2. 喷管扩张段喷管扩张段是喷管的膨胀部分，也是产生推力的关键。
在喷管扩张段，气体流被扩大，从而形成反向的局部压力梯度。
根据贝努利定律，这会导致气体流速降低，压力增加。
由于喷管出口面积较大，当气体从喷管扩张段喷出时，产生的高速气流能够产生向反方向的推力，推动火箭向前。
火箭发动机通过燃烧燃料和氧化剂产生高温高压气体，并通过喷嘴喷出，形成高速喷射的气体流，从而获得推力。
推力的产生是基于牛顿第三定律，即作用力的大小与反作用力的大小相等，方向相反。
因此，高速喷射的气体会产生向相反方向的推力，使火箭获得加速度，最终进入太空。
总结起来，火箭发动机的工作原理可以概括为燃烧室产生高温高压气体，喷嘴将气体喷出，产生高速喷射的气体流，最终产生向反方向的推力，推动火箭运行。
火箭发动机的工作原理
火箭发动机的工作原理火箭发动机是现代航天技术中最重要的动力装置之一，它通过燃烧燃料产生的排放物的喷射力来推动火箭的运动。
火箭发动机的工作原理可以总结为三个关键步骤：燃烧、排气和推力。
1. 燃烧火箭发动机中使用的燃料通常是液体燃料或固体燃料。
液体燃料一般由氧化剂和燃料两个部分组成，例如液氧（LOX）和液氢（LH2）的组合。
固体燃料则是一种混合了氧化剂和燃料的固态物质。
在燃烧室中，燃料和氧化剂被喷射到一起，并在高温和高压的环境下发生燃烧反应。
这个过程可通过点火系统的引燃开始。
燃料的燃烧产生的高温高压气体会在喷嘴中形成高速气流。
2. 排气喷嘴是火箭发动机的关键部件之一，它通过形状和设计来控制排放物的喷射方向和速度。
喷嘴内部的形状和尺寸决定了气体通过时的压力变化和速度增加。
通常，喷嘴在中间是较细的“喉管”，然后逐渐变宽。
这种形状可以加速气体喷射，提供更高的推力。
当高温高压气体通过喷嘴时，气体的压力会逐渐降低，而速度会增加。
这是由于喷嘴的形状使得气体经历了压缩和加速的过程。
排放物通过喷嘴的高速喷射能够提供持续的推力。
3. 推力当燃烧产生的气体通过喷嘴喷射时，根据牛顿第三定律，喷出的气体会产生等量而相反的反作用力，即推力。
这是火箭发动机提供推动力的基本原理。
推力的大小取决于多个因素，包括燃烧产生的气体质量流量、喷嘴的设计和形状以及燃料的特性等。
增加气体流量、改变喷嘴设计或增加燃料质量都可能增加推力。
总结：火箭发动机的工作原理可概括为燃烧、排气和推力三个步骤。
燃料在燃烧室中和氧化剂反应，产生的高温高压气体通过喷嘴喷射，并产生推力。
喷嘴的形状和设计决定了气体喷射的方向和速度，进而影响了推力的大小。
火箭发动机的工作原理是现代航天技术中不可或缺的基础，它使得人类能够征服太空，实现探测、通信和载人航天等众多壮举。
航空航天工程中的火箭发动机设计原理
航空航天工程中的火箭发动机设计原理火箭发动机作为航空航天工程中最核心的推进装置，其设计原理影响着火箭的性能和效率。
本文将探讨火箭发动机设计的一些基本原理，并介绍不同类型的火箭发动机。
一、火箭发动机工作原理火箭发动机的工作原理基于牛顿第三定律，即每个作用力都会有一个等大反向的反作用力。
火箭发动机从喷射口排出高速喷流，喷流的反向推力将火箭向前推进。
喷流产生的动量变化导致反作用力，从而实现火箭发射。
火箭发动机主要由推进剂和氧化剂组成。
推进剂燃烧释放能量，产生高温高压的气体喷流；氧化剂提供氧气以支持燃烧。
推进剂和氧化剂在燃烧室中混合并点燃，释放出巨大的能量。
二、火箭发动机设计关键因素1. 燃烧室设计：燃烧室是火箭发动机的核心组件，燃烧室的设计直接影响燃烧效率和喷流性能。
燃烧室材料需要具有高温高压下的稳定性和强度，同时要考虑燃烧室内的气流动力学特性。
2. 喷嘴设计：喷嘴是将高温高压气体加速至超音速的关键元件，其设计直接影响喷流速度和出口压力。
常见的喷嘴类型包括导管式和喷管式，其中导管式喷嘴适用于低比冲的发动机，而喷管式喷嘴适用于高比冲的发动机。
3. 推进剂选择：推进剂的选择由于不同任务需求而有所差异。
常见的推进剂包括液体推进剂和固体推进剂。
液体推进剂具有较高的比冲，但需要复杂的供应系统；固体推进剂则具有简单可靠的特点，但比冲较低。
4. 氧化剂选择：氧化剂的选择主要考虑氧化剂与推进剂的反应性能和能量释放情况。
常见的氧化剂包括液氧、硝酸等，而推进剂则包括液氢、液氦、硅烷等。
三、火箭发动机类型1. 化学火箭发动机：化学火箭发动机是目前航空航天工程中最常用的火箭发动机类型。
根据推进剂的不同，化学火箭发动机又可分为液体火箭发动机和固体火箭发动机。
2. 核火箭发动机：核火箭发动机利用核能进行推进，具有极高的比冲和推力。
然而，核火箭发动机的使用受到核安全和环境保护等问题的限制，目前仅在特定情况下使用。
3. 电离推进器：电离推进器是一种基于等离子体物理效应的推进装置，通过加速带电粒子产生推力。
陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第6讲
§ 4.1
燃烧室热力计算理论基础
表示为
四、假定化学式 1、计算 1kg 组元的假定化学式 （1）已知组元的分子式，计 算 1kg 该组元的假定化学式
等为 1kg 该组元中各元素的原子摩 尔数
C , H , O , N
CC H H OO N N
CC H H OO N N
mC , mH , mO , mN 等为各元
素的摩尔质量
§ 4.1
燃烧室热力计算理论基础
四、假定化学式 例题 4.2
§ 4.2
燃烧室热力计算的控制方程组
燃烧室燃烧过程的基本描述
是一个定压燃烧过程，为计算方便，取1kg的燃烧产物为研究对象。 燃烧产物的特点：
（1）M种元素
（2）N种组分
NM
（3）给定压强 Pc 和温度 T 下，系统处于化学平衡状态
根据道尔顿 Pn j Pj 分压定律 n
§ 4.2
燃烧室热力计算的控制方程组
二、化学平衡方程组：
3、影响化学平衡的主要因素----- （a）温度
温度对化学平衡的影响，与反应是吸热的还是放热的有关。
CO2
吸热
放热
1 CO O2 283.043 kJ / mol 2
T ，则正向反应加剧，使反应的吸热增 对于正向的吸热反应， 多、放热减少，从而使系统温度降低，以削弱原系统温度升高的影响。 T ，则反向放热反应加剧，使反应的放热增多，从而使 反之， 系统温度升高，以削弱原系统温度降低的影响。
含有氢元素 的组分： H 2O、H 2、OH、H、HCl
N H 2nH2O 2nH2 nOH nH nHCl
n 为1kg产物中各
组分的摩尔数 （mol/kg)
陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第2讲 推力与喷气速度
(2)
To EQ(1)
§ 2.1
推力与喷气速度
0 c t e
控 制 e 体
对于一个封闭表面的矢量积分总是等于零，即有：
A
ex Ae
Pa ndA
A
ex
Pa ndA
A
e
Pa ndA 0 飞行方向
0 c t
Aex F外
Pa ndA Pa ndA Pa nAe
火箭发动机设计基础
西北工业大学 航天学院 二0一四年四月
内容回顾
火箭发动机：不利用外界空气，而是燃烧飞行器自身 携带的推进剂（燃料和氧化剂）并直接向外喷射工质而产 生反作用推力的喷气发动机
火箭发动机的特点： 1. 2. 3. 4. 自带燃料和氧化剂（推进剂） 产生的推力与飞行器的飞行速度无关 工作环境恶劣、工作可靠性要求高 推进剂贮箱大
Te ue 2c p T f Te 2c pT f 1 T f k 1 k k R0 Te Pe k c R p 对等熵流动： T 且 P k 1 k 1 m f c
c t
e
ue
k 1 k Pe 2k R0 Tf 1 k 1 m Pc
极限喷气速度
Te 0
：
uL
uL 2 H 0 2c pT f
二者比值：
2k R0 Tf k 1 m
(2 10)
Pe ue 1 uL P c
k 1 k
表示了喷管流动过程中热能利 用的程度 。
二者比值的范围一般在0.65~0.75之间 。
§ 2.2
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理火箭发动机是现代航天技术中的关键组成部分，它通过喷射高速流体产生推力，推动火箭运动。
本文将介绍火箭发动机的工作原理及其组成部分。
一、引言火箭发动机作为一种热力推进装置，可以将燃料能直接转化为推力，是航天事业的重要支撑。
它的工作原理可以简要概括为燃烧产生高温高压气体，通过喷嘴喷出并产生反冲力。
接下来，我们将详细介绍火箭发动机的工作原理。
二、火箭发动机的基本组成1. 燃料和氧化剂火箭发动机的基本组成包括燃料和氧化剂两部分。
燃料一般采用液体燃料或固体燃料，如液氢、液氧、固体火药等。
而氧化剂则通常为液氧、氮酸铵等。
通过燃料和氧化剂的化学反应，产生高温高压气体，从而产生推力。
2. 燃烧室燃烧室是火箭发动机内部的一个空间，用于燃烧燃料和氧化剂。
当燃料和氧化剂进入燃烧室后，通过点火器点燃，化学反应开始产生大量的高温高压气体。
3. 节流装置（喷嘴）火箭发动机的喷嘴，也称为节流装置，是高温高压气体从发动机喷出的通道。
喷嘴内部的形状和结构会对喷出气体的速度、方向和功率产生重要影响。
常见的喷嘴形式有喷管、喷头和膨胀喷嘴等。
三、火箭发动机的工作原理1. 燃料和氧化剂的混合燃烧火箭发动机工作的第一步是将燃料和氧化剂混合并点燃。
通常，燃料和氧化剂通过喷嘴进入燃烧室，一旦混合后，点燃火花将引发燃烧反应。
当燃料和氧化剂发生化学反应时，产生大量的高温高压气体。
2. 喷嘴的作用喷嘴是火箭发动机中十分重要的部分，其作用是将高温高压气体加速喷出，产生反冲力。
喷嘴内部的形状和结构决定了喷出气体的速度和方向。
常见的喷嘴形式有喷管、喷头和膨胀喷嘴等。
3. 反作用力和动量守恒定律根据牛顿第三定律，火箭发动机产生的推力是通过排出高速气体来实现的，同时火箭本身也会受到与推力大小相等的反作用力。
根据动量守恒定律，喷出气体的动量增加，而火箭的动量则减小，从而推动火箭的运动。
四、火箭发动机的种类与应用1. 固体火箭发动机固体火箭发动机是一种使用固体燃料和氧化剂的推进装置。
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理火箭发动机是实现航天器推进的关键装置，其工作原理涉及多个物理学和工程学知识。
本文将从火箭发动机的结构和工作原理两个方面进行介绍。
首先，我们来看火箭发动机的结构。
火箭发动机通常由燃烧室、喷嘴和燃料供给系统组成。
燃烧室是燃料和氧化剂混合并燃烧的地方，燃烧产生的高温高压气体通过喷嘴喷射出来，产生推力。
燃料供给系统负责将燃料和氧化剂输送到燃烧室，确保燃烧过程持续进行。
其次，我们来分析火箭发动机的工作原理。
火箭发动机的工作原理可以用牛顿第三定律来解释，即作用力和反作用力相等且方向相反。
当燃料在燃烧室燃烧时，产生的高温高压气体以极高的速度通过喷嘴喷射出来，由于喷射气体的动量变化，产生了一个与喷射方向相反的推力，推动火箭向前运动。
这就是火箭发动机产生推力的基本原理。
在火箭发动机的工作过程中，还涉及到燃料的选择和推进剂的使用。
常见的火箭燃料有固体燃料、液体燃料和混合燃料等，而推进剂则包括液氧、液氢、硝化纤维等。
不同的燃料和推进剂组合会影响火箭的推进性能和效率。
此外，火箭发动机还有不同的类型，如化学火箭发动机、核火箭发动机、电推进火箭发动机等。
不同类型的火箭发动机在工作原理和推进方式上有所不同，但其基本原理仍然是利用喷射气体的动量变化产生推力。
总的来说，火箭发动机的工作原理是基于牛顿第三定律和燃烧动力学的基础上，通过燃烧产生的高温高压气体喷射产生推力，从而推动火箭运动。
不同类型的火箭发动机有不同的结构和工作原理，但其核心原理是相通的。
对于火箭技术的发展和航天事业的推进，火箭发动机的工作原理具有重要的理论和实践意义。
综上所述，火箭发动机是航天器推进的关键装置，其工作原理基于牛顿第三定律和燃烧动力学，通过喷射产生的推力推动火箭运动。
火箭发动机的结构和工作原理对于航天技术的发展具有重要意义，值得进一步深入研究和探讨。
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理火箭发动机是一种利用燃烧产生的气体喷射来产生推力的装置，它是航天技术中最重要的组成部分之一。
火箭发动机的工作原理主要包括燃烧和喷射两个过程。
下面将详细介绍火箭发动机的工作原理。
一、燃烧过程火箭发动机的燃烧过程是指燃料和氧化剂的混合燃烧产生大量高温气体的过程。
火箭发动机中常用的燃料有液体燃料和固体燃料两种。
1. 液体燃料液体燃料是指通过喷射系统将燃料和氧化剂以液体的形式混合，然后喷射到燃烧室进行燃烧的燃料。
液体燃料通常由燃料和氧化剂两个部分组成，两者在一定比例下混合，通过喷嘴喷射到燃烧室，在高温下发生剧烈的化学反应，产生大量的热能。
2. 固体燃料固体燃料是将燃料和氧化剂混合后经过固化加工形成固体燃料块。
当点火引信点燃固体燃料时，固体燃料开始燃烧。
固体燃料的燃烧速度由固体燃料的性质和结构决定，瞬间释放出大量的热能。
二、喷射过程喷射过程是指利用由燃烧产生的高温高压气体通过喷嘴的喷射，产生反作用力从而推动火箭前进的过程。
根据喷嘴的类型不同，喷射过程可以分为喷管喷射和喷嘴喷射。
1. 喷管喷射喷管喷射是最早使用的喷射方式，它利用喷管的喷射原理产生推力。
当高温高压气体通过喷管的喷嘴时，由于喷嘴通道的收缩和扩张，气体的速度和压力都会发生变化。
根据贝努利定律，当气体通过收缩的喷嘴时，气体的速度增大、压力减小，从而产生向后的推力。
2. 喷嘴喷射喷嘴喷射也称为喷嘴反作用推进原理，是现代火箭发动机常用的喷射方式。
喷嘴的构造是其核心，喷嘴通道内部形状曲线平滑，使高温高压气体通过喷嘴时加速扩张，速度迅速增大，压力迅速降低。
根据牛顿第三定律，气体向后喷射速度越高，推力越大。
三、工作原理总结火箭发动机的工作原理可以归纳为：燃烧产生的气体喷射产生反作用力，推动火箭前进。
火箭发动机通过燃烧燃料和氧化剂产生高温高压气体，然后利用喷嘴的喷射原理，产生的气体喷射，产生反作用力，从而推动火箭前进。
整个过程需要精确的控制火箭发动机的燃烧速率、喷射速度等参数，以确保火箭的安全运行。
陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第8讲解析
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
四、燃烧室压强对双基推进剂燃烧的影响
① 稳定燃烧。 ② 促成NO的还原反应。 ③ 加快气相反应速度。 ④ 增加燃速。
过程
一、复合推进剂的特点
（1）基本组成：氧化剂、粘结剂、金属燃料 （2）是一种异质推进剂。因此复合推进剂燃烧前，氧化剂和 金属燃料需要一个掺混过程，与双基推进剂的预混燃烧相比， 复合推进剂的燃烧属于扩散混合燃烧。
2. 习题6.4（P261）
3. 习题6.5（P261）
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
三、AP复合推进剂的燃烧过程 4、氧化剂气体同燃料气体的气相反应： 粘结剂热解气体和气相HClO4的反应 粘结剂热解气体和AP分解焰产物的反应
复合推进剂的燃烧较为复杂，燃速主要
受压强、温度和颗粒尺寸等诸多因素的
影响。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
2. 嘶嘶区
（2）化学反应剧烈 （3）厚度较小 （4）温升很快、温度梯度也较大
放热量占50%
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
（1）暗区的厚度相对较大且受 压强的影响很强烈
d
3. 暗区
（2）温度变化平缓 、温升很小 （3）NO 部分还原为 N 2 和 CO、CO2
C Pm
内容回顾
2. 喷管热力学计算模型
（1）燃烧产物是完全气体 简化假设： （2）流动过程是一个不存在任何不可逆 现象的理想流动过程 热力计算的理论模型：
等熵流动模型 S Const.
等熵方程： 喷管热力计算的方程
~ ~ 1 S (P、T) S0c 0
2 ( P、T) 0
陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第2讲推力与喷气速度解析
uc 2 2
He
ue2 2
Hc H0 (uc ue , uc 0)
ct e
§ 2.1 推力与喷气速度
因此：
H0
He
ue2 2
ue 2H0 He
ct e
将公式 H e c pTe , H 0 c pT f 代入上式 ，有：
ct e
ue 对等熵流动：
§ 2.1 推力与喷气速度 2.1.1 推力（Thrust)
0 Pa
ct
e
一. 推力定义：发动机工
作时作用于发动机全部表 飞行方向
ue
面（包括内外表面）上的
Pi , Ti
气体压力的合力。
F F内 F外
(1)
0
ct
e
F内 :高温高压燃气对发动机内表面的作用力
F外 :外界大气对发动外表面的作用力（仅考虑大气静压
2cp Tf Te
Over-expanded
pe = pa Fully-expanded
§ 2.1 推力与喷气速度
四.有关推力的几个代表量: F mue Ae Pe Pa
2. 真空推力：发动机在真空环境下工作时的推力，也就是 Pa 0
时的发动机推力。即：
Fv mue Pe Ae
3. 海平面推力：发动机在海平面条件下（环境压强为0.1013MPa）工
Fex ：喷管出口截面作
用于控制体上的反
飞行方向
作用力
Fin
Ain
Pi ndA（作用力与反作用力
原理）0
Fex
PenAe
火箭发动机的设计原理
火箭发动机的设计原理火箭发动机是现代航空、航天领域中最核心的技术之一，其研制仍处于不断探索的阶段。
发动机的设计原理对航空、航天产业的发展有着重大的意义。
在此，笔者将从火箭发动机的工作原理、设计需求以及相关技术进展等方面进行阐述和探讨。
一、火箭发动机的工作原理火箭发动机是将高能量燃料和氧化剂在燃烧室内高温高压下燃烧反应产生的高温高速气体通过喷口喷射出去产生推力。
发动机的关键在于如何将能量转化为推力。
发动机的基本构成包括：燃烧室、喷嘴、燃烧室的供氧系统和冷却系统等。
发动机通过提取燃料和氧化剂中的化学能，将化学能转化成热能，再将热能转化成动能。
燃油和氧化剂在燃烧室中进行燃烧反应，热能转化为动能，形成热气体，高速高压气体通过燃烧室排放出来，产生推力，推动火箭前行。
所以，发动机的推力效率、燃料消耗率和重量等参数对航天器的发射和操作都有着非常重要的作用。
二、火箭发动机的设计需求火箭发动机的设计过程中，需要考虑许多方面的需求，如推力、比冲、燃烧室压力和温度、燃油和氧化剂比例、燃料消耗率和发动机的容积等。
1. 推力推力是火箭发动机设计的最主要目标之一，它直接影响到火箭的载重能力、速度和时间等。
因此，设计时需要根据具体需求来确定所需的推力大小。
2. 比冲比冲是火箭发动机性能的另一个关键参数，它反映了发动机喷出气体的速率，并且与燃料的能量和氧化剂比例有关。
比冲越高，火箭的轨道速度和能耗就越小。
因此，比冲是提高火箭效率的关键指标之一。
3. 燃烧室压力和温度燃烧室压力和温度是火箭发动机使用时必须严格控制的参数。
燃烧室的温度过高会导致燃烧室结构变形和材料失效，从而影响火箭发动机的正常工作。
同时，燃烧室压力过大也会对燃烧室的结构产生不良影响。
4. 燃油和氧化剂比例燃油和氧化剂比例是发动机设计中的一个重要参数，它影响到发动机喷出气体的成分和能量。
所以，一般来说，会从推力和燃料效率等方面考虑燃油和氧化剂的比例。
三、火箭发动机的技术进展目前，世界各国都在不断努力、不断探索火箭发动机的新技术、新方法和新路线。
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理冲压式火箭发动机主要有火箭燃料和火箭氧化剂，两者进入燃烧室后发生燃烧，产生的高温高压气体在燃烧室内增压，当达到一定压力后，释放出通过喷嘴的高速气流，产生巨大的推力。
通常喷嘴是设计成锥形的，以实现气体的加速和扩散，进一步产生更大的推力。
连续式火箭发动机主要由燃料和氧化剂系统组成。
燃料和氧化剂燃烧后产生高温高压气体，通过喷嘴连续喷射出来，产生连续的推力。
在连续式火箭发动机中，燃料和氧化剂的供给是持续的，并且相互之间可以适当调整比例来控制推力大小。
首先是燃烧过程。
在火箭发动机中，燃料和氧化剂通过喷嘴进入燃烧室，并被点燃。
在高温高压的环境下，燃料和氧化剂快速燃烧，产生大量的热能。
这种燃烧产生的高温高压气体是产生推力的基础。
接下来是喷射过程。
燃烧产生的高温高压气体通过喷嘴喷射出来。
喷嘴前部通常较窄，形成了狭窄的喷嘴喉部，称为喷管。
喷管使气体喷出时速度加快，压力减小。
接着的扩张段使气体经过再次扩散后速度进一步增大，压力进一步降低。
这个过程是根据贝努利定律和连续性方程，通过改变气体流动状态，使气体获得更大的动能。
最后是推进过程。
通过喷嘴喷出的高速气流，产生反作用力推动火箭向前运动。
根据牛顿第三定律，喷射出的高速气流产生的反作用力与火箭获得的推力方向相反，且大小相等。
通过喷射的高速气流产生的推力，使火箭能够克服重力和空气阻力，实现向上运动。
需要注意的是，在火箭发动机的工作过程中，燃料和氧化剂的供给要平衡，以保持燃料和氧化剂的适当比例。
在工程实践中，还需要密切控制火箭发动机的推力大小，以便在不同阶段进行正确的调整。
总之，火箭发动机是利用燃烧产生的高压高温气体通过喷嘴的喷射来产生巨大推力的一种发动机。
通过燃烧、喷射和推进过程，火箭发动机能够将火箭送入太空。
火箭发动机的工作原理是基于牛顿第三定律，并运用了热力学和流体力学的原理。
火箭发动机基本原理与主要性能参数
火箭发动机基本原理与主要性能参数火箭发动机是用于推动火箭运行的关键组件，它通过喷出高速气体产生反作用力来推动火箭。
本文将介绍火箭发动机的基本原理以及主要的性能参数。
一、火箭发动机的基本原理火箭发动机的基本原理是基于牛顿第三定律，即每个作用力都有一个等大反向的反作用力。
通过排出高温高压燃气产生的高速气流，火箭发动机可以产生的反作用力推动火箭向前运行。
火箭发动机的工作过程可以分为四个阶段：燃烧室压力升高、喷嘴加速、喷射出口速度增加和喷嘴加速结束。
在燃烧室中，燃料和氧化剂在一定比例下燃烧产生高温高压燃气。
然后，燃气通过喷嘴加速，形成高速气流从喷射出口排出。
此时，反作用力作用在发动机上，将火箭推进。
二、火箭发动机的主要性能参数1. 推力（Thrust）推力是衡量火箭发动机性能的重要指标，它代表了发动机产生的推力大小。
推力的单位通常为牛顿（N）或千牛（kN）。
推力的大小与燃料的燃烧速率、排出喷口的气体速度以及发动机的结构特性等因素有关。
2. 比冲（Specific Impulse）比冲是衡量火箭发动机燃料利用效率的指标，它代表了每单位燃料产生的推进效果。
比冲的单位通常为秒（s），其数值越大，表示单位燃料产生的推力越大。
比冲与排气速度成正比，与燃料消耗速率成反比。
3. 推重比（Thrust-to-Weight Ratio）推重比是指火箭发动机产生的推力与发动机自身重量之比。
推重比越大，表示火箭发动机越强大。
推重比的数值取决于发动机的设计和材料选择。
4. 燃料消耗率（Propellant Consumption Rate）燃料消耗率是指单位时间内燃料的消耗量。
它反映了发动机每秒钟所消耗的燃料数量，单位通常为千克/秒（kg/s）。
燃料消耗率与燃料的燃烧速率和推力大小有关。
5. 特定冲量（Specific Impulse）特定冲量是指单位燃料产生的总推力与单位燃料消耗的质量之比。
特定冲量的单位通常为牛顿/千克（N/kg），数值越大表示单位燃料产生的推力越大。
火箭发动机的工作原理与分类探秘燃烧室与喷管设计
火箭发动机的工作原理与分类探秘燃烧室与喷管设计火箭作为一种重要的航天工具，其发动机的工作原理与设计对于提升航天技术的发展起到了至关重要的作用。
本文将深入探讨火箭发动机的工作原理和分类，以及燃烧室与喷管的设计。
一、火箭发动机的工作原理火箭发动机的工作原理基于牛顿第三定律——作用力与反作用力相等且方向相反。
火箭通过将高能燃料与氧化剂进行燃烧产生的高温高压气体排出，实现喷气推进，从而产生了巨大的推力。
火箭发动机包含燃烧室、喷管以及供给燃料和氧化剂等相关系统。
燃料和氧化剂在燃烧室中燃烧产生高温高压的气体，然后通过喷管喷出，产生反作用力从而推动火箭前进。
这个过程实际上是通过恒定的质量流量、喷气速度和推力来实现，即火箭推力的大小取决于喷气速度和质量流量的乘积。
二、火箭发动机的分类根据工作原理和推进剂的不同，火箭发动机可以分为化学火箭发动机、电推进火箭发动机和核火箭发动机三种类型。
化学火箭发动机是目前应用最广泛的一种火箭发动机。
它以化学反应为基础，通过燃烧产生高温高压气体来推动火箭。
根据燃料类型和推进剂组合的不同，化学火箭发动机又可以分为液体火箭发动机和固体火箭发动机。
液体火箭发动机由液体燃料和液体氧化剂组成。
燃料和氧化剂在燃烧室中混合并燃烧，产生高温高压气体通过喷管喷出。
这种发动机结构复杂，但具有调节比推力和高可调性的优点，因此在航天领域得到了广泛应用。
固体火箭发动机是一种将固体燃料和氧化剂混合在一起，然后嵌入在火箭发动机的燃烧室中进行燃烧的发动机。
这种发动机结构简单且可靠，并且具有大推力和起飞重量比较小的优势，因此在火箭升空和导弹发射中常被使用。
电推进火箭发动机则是利用电能将气体加速而产生推力。
其工作原理与化学火箭发动机不同，它通过加速带电微粒来推动火箭。
电推进火箭发动机具有高速度和长推力工作时间的优势，但由于能量密度较低，目前尚未得到广泛应用。
核火箭发动机以核能作为能源驱动，具有巨大的推力和高速度。
然而，核火箭发动机面临技术难题和安全风险，目前仍处于研究和开发阶段。
陈茂林 火箭发动机设计基础 发动机原理 推力与喷气速度
u k 综合考虑，则 e 随
的增大而略有减小。
4. P e Pc
:
在 m, k, Tf 一定的情况下，
ue 随
Pe Pc
的减小而增大。
§ 2.1 推力与喷气速度
k 1
等熵流动：Te Tf
Pe Pc
k
Pe 0
ue
k1
2k k1
Rm0 Tf
1
Pe Pc
2.喷管中的流动是一维定常、等熵流动，且忽略 燃气对喷管壁的传热和摩擦。
3.燃气是定压比热为常数的理想气体。
燃气流动的 能量方程：
Hu2 2
H0
contasnt
ct e
在截面c-c和e-e处：
Hc
uc2 2
He
ue2 2
ct e
H c H 0( u c u e , u c 0 )
CD
（1）是一个假想的速度，具有和速度相同的量纲（m/s）；
（2）c * 的大小取决于燃烧产物的热力学性质，即与燃烧
温度、燃烧产物的平均摩尔质量和比热比有关，而与喷管喉 部下游的流动过程无关。
对一般的固体推进剂，双基推进剂的特征速度在1400m/s左 右，复合推进剂的特征速度在1500~1800m/s左右。
A exP an d A A eP an d A P an A e
F 外
(3 )
控
0
ct
e
制 体
To EQ(1)
将（2）、（3）式代入公式（1）中有：
F m u e u i n P e n A e P a n A e F m u e u in A e P e P a
火箭发动机工作原理
火箭发动机工作原理引言火箭发动机是现代航空航天技术中最重要的动力装置之一，它将燃料转化为推力以产生推进力，使火箭在太空中航行。
本文将详细介绍火箭发动机的工作原理。
一、火箭发动机的组成火箭发动机主要由燃烧室、燃料供应系统、氧化剂供应系统和喷管组成。
1. 燃烧室燃烧室是火箭发动机的核心组件，它是燃料和氧化剂进行混合和燃烧的地方。
在燃烧室中，燃料和氧化剂被同时喷射进来，然后通过点火引起的剧烈反应产生高温高压的燃烧气体。
2. 燃料供应系统燃料供应系统负责将燃料输送到燃烧室。
通常，液体火箭发动机采用燃料泵把燃料从燃料箱中抽出，通过管道输送到燃烧室；固体火箭发动机则直接将固体燃料装填到燃烧室内。
3. 氧化剂供应系统氧化剂供应系统的功能是将氧化剂输送到燃烧室，与燃料一起进行燃烧。
与燃料供应系统类似，液体火箭发动机采用氧化剂泵将氧化剂送入燃烧室，而固体火箭发动机则将氧化剂混合在固体燃料内部。
4. 喷管喷管是火箭发动机的尾部出口，燃烧的燃料和氧化剂在喷管中加速膨胀，产生高速喷射的燃烧气体，从而产生巨大的反作用力，推动火箭向前运动。
二、火箭发动机的工作原理火箭发动机的工作原理遵循牛顿第三定律，即每个作用力都有一个相等且方向相反的反作用力。
当火箭发动机点火后，燃烧室中的燃料和氧化剂开始燃烧，生成高温高压的燃烧气体。
这些燃烧气体通过喷管的喷射作用力，产生向后的动力，同时火箭本身受到了一个向前的推力。
根据牛顿第三定律，火箭发动机生成的向后的推力可以用以下公式表示：F = m * ve其中，F为推力，m为喷射出的燃烧气体的质量，ve为燃烧气体的喷射速度。
由此可见，要增加火箭的推力，可以通过增加气体的喷射速度或者增加喷射出的气体质量来实现。
三、火箭发动机的分类根据燃料的状态和使用形式，火箭发动机可以分为液体火箭发动机和固体火箭发动机两种。
1. 液体火箭发动机液体火箭发动机燃料和氧化剂以液体形式存储，并在燃烧前混合。
液体火箭发动机具有自适应性强、可控性好的优点，因此广泛应用于火箭和导弹领域。
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③ 气相区向固相的传热和表面分解区的放热效应，是使固相分解、 气化、保证燃烧稳定持续进行的基本因素 。
④ 燃烧室的压强对燃烧过程有很大的影响 。 一般双基推进剂的临界压强约为3~6MPa。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
二、AP复合推进剂的燃烧现象
AP复合推进剂整个燃烧区中的各种反应过程主要有： ① AP在固相表面层上的分解； ② 燃料-粘结剂的热解；
③ AP分解产物在气相中的爆燃；
④ 氧化剂气体同燃料气体的气相反应； ⑤ 铝粒的燃烧。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
等
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
还原为 N 2 和 CO、CO2 等
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
（1）大量 NO
4. 发光火焰区 放热量占40%
（2）主要的放热区，温度上升很快， 达2400~3000K。 （3） 该区的厚度随燃烧室压强的升高而减薄。
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
小结
4. 双基推进剂燃烧过程
1. 预热区 2. 表面层分解反应区 3. 嘶嘶区 4. 暗区 5. 发光火焰区
小结
5. AP复合推进剂燃烧过程
① AP在固相表面层上的分解；
② 燃料-粘结剂的热解；
③ AP分解产物在气相中的爆燃； ④ 氧化剂气体同燃料气体的气相反应； ⑤ 铝粒的燃烧。
作业
1. 习题6.3（P261）
质量守恒方程和化学平衡方程（计算 n j ）
内容回顾
3. 典型喷管流动计算
一、膨胀到指定压强
平衡流动 冻结流动 突然冻结流动
典型情况：膨胀到环境压强 Pe=Pa 二、膨胀到指定马赫数
平衡流动 冻结流动 突然冻结流动
典型情况：膨胀到Ma=1,即喷管喉部参数计算
Pe e R eTe
4. 发动机理论性能参数计算 ①：喷气速度 u e
（1）整个装药的燃烧表面同时点燃； （2）装药成份均匀，燃烧表面上各点所处的物理条件（压强、初温等）都一样 （3）燃烧表面上各点都以相同的燃速向装药里面推进，
等面燃烧 燃面的变化规律： 增面燃烧
减面燃烧
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
（1）基本组成： 硝化棉：
[C6 H 7 O2 (OH ) 3 x (ONO2 ) x ]n
CF
Is c*
真空中的理论推力系数 CF ,V 设计状态的理论推力系数 C F ,V
c ue * c
( Pa 0)
( Pe Pa )
t At ut m Pt t RtTt
u PA t t t m RtTt
c*
P0c R0 Tt P t mt ut
内容回顾
Re (1 e ) R ge
R ge
R0 m ge
②:理论比冲 I s
~ ~ ue 2 I m , 0 c I m , e
Ae Pe Pa I s ue m
④：理论推力系数
CF
eue Ae m
I s ,V
*
③：理论特征速度 c*
c*
P0 c At m
预热区 （1）厚度很小 （2）温升小 （3）无化学反应
表面分解区 （1）固相融化、蒸发等 （2）发生化学反应 （3）温升高、温度梯度大 （4）厚度很小，0.01mm 量级 （5）表面凹凸不平
（4）有相变， 即推进剂变软
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
（1）固、液、气态物质共存
2. 习题6.4（P261）
3. 习题6.5（P261）
内容回顾
2. 喷管热力学计算模型
（1）燃烧产物是完全气体 简化假设： （2）流动过程是一个不存在任何不可逆 现象的理想流动过程 热力计算的理论模型：
等熵流动模型 S Const.
等熵方程： 喷管热力计算的方程
~ ~ 1 S (P、T) S0c 0
2 ( P、T) 0
喷管计算截面方程：
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
二、AP复合推进剂的燃烧现象 1. 从宏观上看： 包含着若干燃烧阶段：固相分解气化，分解产物离开燃烧表面在气相中 继续进行反应放热，形成火焰。 燃烧过程中燃面的退移符合平行层燃烧定律。 2. 从微观上看： ①氧化剂和粘结剂的热分解各自独立进行，热分解之后再扩散混合。 ② 燃烧区的火焰结构是不均匀的，火焰结构具有复杂的三维特性。
燃速控制着发动机的推力
§ 6.1
概述
三、燃速 推进剂本身的性质
3. 影响燃速的因素
推进剂的燃烧环境
r aP
n
推进剂的燃速特性： 推进剂的燃速随发动机工作条件变化而变化的规律。
§ 6.1
概述
四、装药燃烧表面的变化
平行层燃烧定律： 在燃烧过程中，装药的燃烧表面始终与起始燃烧表面平行。 平行层燃烧定律包括三点基本假设：
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
四、燃烧室压强对双基推进剂燃烧的影响
① 稳定燃烧。 ② 促成NO的还原反应。 ③ 加快气相反应速度。 ④ 增加燃速。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
一、复合推进剂的特点
（1）基本组成：氧化剂、粘结剂、金属燃料 （2）是一种异质推进剂。因此复合推进剂燃烧前，氧化剂和 金属燃料需要一个掺混过程，与双基推进剂的预混燃烧相比， 复合推进剂的燃烧属于扩散混合燃烧。
三、AP复合推进剂的燃烧过程 1、AP在固相表面层上的分解：
NH4ClO4 NH3 HClO4
2、AP分解产物在气相中的爆燃：
HClO4 OH ClO O2
NH3
3、燃料-粘结剂的热解：
HCl H 2O N 2
不能单独爆燃，受热温度升高后热解，热解气体在气相中和氧化剂 气体进行燃烧反应，释放热量
r
de dt
(cm / s) 或 （mm / s)
2） 燃速的作用：
燃速控制着发动机的推力 推进剂本身的性质
3. 影响燃速的因素
推进剂的燃烧环境
r aP
n
小结
3. 装药燃烧表面的变化
平行层燃烧定律： 在燃烧过程中，装药的燃烧表面始终与起始燃烧表面平行。 平行层燃烧定律包括三点基本假设：
（1）整个装药的燃烧表面同时点燃； （2）装药成份均匀，燃烧表面上各点所处的物理条件（压强、初温等）都一样 （3）燃烧表面上各点都以相同的燃速向装药里面推进，
火箭发动机设计基础
西北工业大学 航天学院 二0一四年四月
内容回顾
1. 喷管流动过程分析
一、喷管流动过程中的化学平衡问题
平衡流动 冻结流动 能量平衡流动
二、喷管流动过程中的燃气内能平衡问题
能量冻结流动
三、喷管流动过程中的两相流问题
热力平衡，动力平衡 热力冻结，动力平衡 热力平衡，动力冻结 热力冻结，动力冻结
一、双基推进剂的特点
硝化甘油： C3 H 5 (ONO2） 3 （2）是一种均质推进剂
二、燃烧现象 固相分解、气化 产物间反应、 Q 火焰
Tf
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
放热量占9~12%
1. 表面层反应区
§ 6.1
概述
一、对固体推进剂燃烧过程的要求
1. 要求燃烧稳定 2. 要求有尽可能高的燃烧效率 3. 要求燃烧过程按照设计的要求，以预定的速度生成燃烧产物
§ 6.1
概述
二、对固体推进剂燃烧过程的研究 燃烧过程复杂
燃烧过程的特点
燃烧反应的速度快、温度高、燃烧反应区窄 燃烧过程的影响因素多
试验研究 燃烧过程的研究方法
三、AP复合推进剂的燃烧过程 5、铝粒的燃烧：
Al对推进剂燃速影响不大。
小结
1. 对燃烧过程的要求
1. 要求燃烧稳定 2. 要求有尽可能高的燃烧效率 3. 要求燃烧过程按照设计的要求，以预定的速度生成燃烧产物
小结
2. 燃速 1）定义：
燃烧过程中，燃烧表面 沿其法线方向向推进剂 里面连续推进的速度
5. 发动机理论参数影响因素 ①：压强比影响
P CF I s
CF I s
②:喷管流动状态
I s (冻结) I s (平衡)
第一部分
火箭发动机原理
第六章
§ 6.1 § 6.2 § 6.3 概述
固体火箭发动机中的燃烧
双基推进剂燃烧过程 过氯酸铵（AP）复合推进剂燃烧过程
理论研究
从燃烧过程的实际情况 建立燃烧模型 建立燃烧理论
§ 6.1
概述
三、燃速 燃烧过程中，燃烧表面 沿其法线方向向推进剂 里面连续推进的速度
1.定义：
r
de dt
(cm / s) 或 （mm / s)
质量燃速：
2. 燃速的
IS F m
m b p Ab r m
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
三、AP复合推进剂的燃烧过程 4、氧化剂气体同燃料气体的气相反应： 粘结剂热解气体和气相HClO4的反应 粘结剂热解气体和AP分解焰产物的反应
复合推进剂的燃烧较为复杂，燃速主要
受压强、温度和颗粒尺寸等诸多因素的
影响。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程