空间飞行器设计-第5讲

1,第5讲,2,第5讲运载火箭飞行原理,为了把航天器（有效载荷）从地面送到预定的空间轨道，运载火箭必须克服地心引力及穿越地面稠密大气层时的阻力，而这离不开火箭强大的推动作用。运载火箭工作段又称航天器轨道飞行主动段。,3,5.1作用在火箭上的空气动力,5.1.1作用在火箭上的空气动力一、空气动力由于火箭与大气的相对运动，产生空气动力R。空气动力在火箭对称平面内垂直于速度向量v的分量是升力Y，而在顺气流方向的分量就是阻力X。气动力产生的主要原因是压差和粘性摩擦。,4,图5.1空气动力的分解,5,二、升力,图5.2升力示意图,6,三、阻力,1.摩擦阻力有粘性的空气流经火箭表面，紧贴火箭表面的气流速度降为零，从火箭表面向外，气流速度加快。由于火箭对气流有摩擦阻止作用，气流对火箭也有反作用力。,7,2.压差阻力机(弹)翼前缘气流流速慢，压强高，后缘气流流速快，压强低，使机(弹)翼前后产生压力差。高速飞行时还会产生激波阻力。,图5.3翼型表面的气流分离,8,5.1.2升力系数和阻力系数,表征气动性能的系数：,(51),(52),9,图5.4阻力系数cx与Ma的迎角的关系,图5.5升力系数cy与Ma的迎角的关系,10,5.2变质量物体的动量方程及火箭的理想速度,结合前的动能：mvm（vue）结合后的动能：(mm)（v+v),图5.6变质量物体动量方程的推导,(53),变质量物体m，以速度v运动，不断有微量质量m以与v相反的相对速度ue与m结合。,(54),11,若结合时间为t，在此时间内作用的外力为Q，动量的变化应等于冲量：,上式整理并忽略二阶微量得：,或,(55),(56),(57),12,是由于质量变化产生的力，称为反作用力。,如果,，系统质量增加，这个力使速度,降低；如果,，系统质量减少，这个力就,表现为推力。,13,5.2.2单级火箭的理想速度,如果不考虑重力和空气阻力的作用：,对上式积分得：,设v00，则：,(58),(59),14,上式中，ue为火箭发动机的喷射速度，质量比m/m0用(火箭弹道设计,34,5.4.2运载火箭动力飞行段的运动特性(contd.),运载火箭与弹道火箭的主动段类似，但有区别：1.目的。弹道火箭把弹头送入一个与地球表面相切的近似椭圆轨道，最后击中地面目标，而运载火箭飞行弹道则把航天器送入空间运行轨道。2.发动机工作方式。弹道火箭发动机连续工作，而运载火箭的飞行弹道由若干个主动段和自由飞行段组成。,35,运载火箭的飞行弹道可分为三个基本类型：直接入轨、滑行入轨和过渡入轨。1.直接入轨。运载火箭从地面起飞后，各级火箭发动机依次连续工作，并按预定的程序转弯。发动机工作结束时，角度、速度均达入轨要求，完成航天器的入轨。适用于发射低轨道航天器。,36,运载火箭的飞行弹道的三种类型：,1.直接入轨,图4.9直接入轨,37,2.滑行入轨这种入轨方式将运载火箭的飞行程序分为三段：在一个主动段后，加上一个自由飞行段，最后再加上一个主动段。火箭在第一个主动段就加足了飞行时所需的大部分能量，然后关闭发动机，火箭在地球的引力下作自由飞行，直到与所要达到的轨道相切的位置，发动机再次点火，加速到入轨要求的速度，并将航天器送入轨道。,38,2.滑行入轨,图4.10滑行入轨弹道,OA动力飞行段；AB自由滑行段；BK加速段；KC椭圆轨道自由飞行段；CF第二次加速段,39,3.过渡入轨这种入轨方式将运载火箭的整个弹道分为5段：加速段、停泊段、再加速段、过渡段和加速入轨道。由第一个主动段加速到停泊段，可像直接入轨一样经一个加速段进入绕地圆形轨道；也可像滑行入轨那样经两个加速段进入圆形停泊轨道。航天器在停泊轨道上运行时可根据入轨点要求，选择发动机二次点火位置使航天器