第3章-飞行器的动力系统VIP

飞行器动力系统,飞行器的心脏,主要内容,3.1发动机的分类及特点3.2活塞式发动机3.3空气喷气发动机3.4火箭发动机3.5组合式发动机3.6非常规推进系统,3.1发动机的分类及特点,飞行器发动机的种类很多，其用途也各不相同。通常可以按发动机产生推力原理的不同和发动机工作原理的不同将发动机分为如下4大类，如图示。,不同类型的发动机由于其结构和产生推力的原理的不同，适合不同的速度和高度范围，如图32所示列出了各类发动机的适用范围情况。,3.2活塞式航空发动机,321活塞式发动机的主要组成,1气缸；2-活塞；3-进气门；4-进气阀；5-排气门；6-排气阀；7-连杆；8-曲轴,322活塞式发动机的工作原理活塞发动机一般都用汽油作为燃料，它的每一循环包括四个行程(即活塞在气缸中上下运动各两次)，即进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程，如图33所示。在进气行程，活塞从上死点运动到下死点，进气活门开放而排气活门关闭，雾化了的汽油和空气的混合气体被下行的活塞吸人气缸内。在压缩行程，活塞从下死点运动到上死点，进气活门和排气活门都关闭，混合气体在气缸内被压缩在上死点附近，由装在气缸头部的火花塞点火。在膨胀行程，混合气体点燃后，具有高温高压的燃气开始膨胀，推动活塞从上死点向下死点运动。在此行程，燃烧气体所蕴含的内能转变为活塞运动的机械能，并由连杆传给曲轴，成为带动螺旋桨转动的动力。所以膨胀行程也叫做功行程。在排气行程，活塞从下死点运动到上死点，排气活门开放，燃烧后的废气被活塞排出缸外。当活塞到达上死点后，排气活门关闭，此时就完成了四个行程的循环。,两种典型的冷却方式：,323活塞式发动机的辅助系统(1)进气系统进气系统内常装有增压器来增大进气压力，以此改善高空性能。(2)燃料系统燃料系统由燃料泵、气化器或燃料喷射装置等组成。燃料泵将汽油压人气化器，汽油在此雾化并与空气混合进入气缸。(3)点火系统点火系统由磁电机产生的高压电在规定的时间产生电火花，将气缸内的混合气体点燃。(4)冷却系统发动机内燃料燃烧时产生的热量除转化为动能和排出的废气所带走的部分内能外，还有很大一部分传给了气缸壁和其他有关机件。冷却系统的作用就是将这些热量散发出去，以保证发动机的正常工作。(5)启动系统将发动机发动起来，需要借助外来动力，通常用电动机带动曲轴转动使发动机动。(6)定时系统定时系统是由曲轴带动凸轮盘推动连杆和摇臂，定时将进气活门和排气活门开启和关闭的系统。,324航空活塞式发动机主要性能指标活塞式发动机的主要要求是重量轻、功率大、尺寸小和耗油省等，因此活塞式发动机的主要性能指标有以下几个。(1)发动机功率(2)功率重量比(3)燃料消耗率,33空气喷气发动机,3.3.1空气喷气发动机的主要性能参数(1)推力(2)单位推力(3)推重比(4)单位耗油率,3.3.2燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机，它主要由压气机、燃烧室和涡轮组成。按核心机出口燃气可用能量的利用方式不同，燃气涡轮发动机分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮桨扇发动机、涡轮轴发动机和垂直起落发动机等。,涡轮喷气发动机,(1)进气道系统功用：是整理进入发动机的气流，消除旋涡，保证在各种工作状态下都能供给发动机所需要的空气量。尤其是在高速飞行的情况下，要通过进气道将高速气流的速度逐渐降下来，尽量将气流的动能转变为压力势能，然后再进入压气机，保证压气机有良好的工作条件。分类：根据飞机飞行速度的不同，进气道可分为亚声速进气道和超声速进气道。,(2)压气机功用：提高进入发动机燃烧室的空气压力。它是利用高速旋转的叶片对空气做功的。分类：压气机有离心式和轴流式两种类型。,轴流式压气机组成,(3)燃烧室功用：是燃料与从压气机出来的高压空气混合燃烧的地方。燃料(航空煤油)燃烧后，燃料的化学能转变为内能，气体温度和压力升高。高温、高压的气体冲向涡轮，驱动涡轮旋转而发出功率。基本结构形式：由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套组成。典型结构：单管燃烧室联管燃烧室环管燃烧室,燃烧室的组成和工作原理,(4)涡轮功用：是将燃烧室出口的高温、高压气体的能量转变为机械能。燃气从燃烧室流出后，冲击涡轮使其高速旋转产生机械能。涡轮的机械能以轴功率的形式输出，驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件转动。燃气经过涡轮后，温度及压力骤然下降，速度渐增。从涡轮流出的燃气流向尾喷管，由尾喷管喷出产生推力。典型结构：,(5)加力燃烧室功用：加力燃烧室位于涡轮的后面，流经涡轮的燃气中还有不少氧气，因此可以在加力燃烧室再次喷油燃烧，以提高喷管出口燃气的喷射速度而加大推力。,(6)尾喷管功用：燃气膨胀加速产生反推力、抑制噪音和红外辐射。典型结构：,涡轮螺桨发动机,1-螺旋桨；2-减速齿轮；3-进气道；4-压气机；5-燃烧室；6-涡轮；7-尾喷管,涡轮风扇发动机,1-风扇；2-压气机；3-燃烧室；4-高压涡轮；5-低压涡轮；6-尾喷管,涡轮桨扇发动机,涡轮轴发动机,垂直起落发动机,可转喷口的涡轮风扇发动机,升力风扇发动机,33.3冲压喷气发动机,冲压发动机的组成,334涡轮喷气发动机的工作状态发动机规定的工作状态通常有起飞状态：最大状态：额定状态：巡航状态：慢车状态：,34火箭发动机,如前所述，空气喷气发动机燃料的燃烧需要利用大气中的氧气作为氧化剂，因此只能作为航空器飞行的动力。而火箭发动机的特点是不仅自带燃烧剂，而且自带氧化剂，它既能在大气层内工作，也可在大气层外的真空中工作。因此可作为火箭、导弹和航天器飞行的主要动力。按加速工作介质(气流)的能源的不同，火箭发动机可分为化学能火箭发动机与非化学火箭发动机(如电能火箭发动机、核能火箭发动机等)。目前使用最多的是化学能火箭发动机。化学能火箭发动机的工作原理是将燃烧剂和氧化剂在燃烧室进行燃烧，将化学能转变成内能，生成高温燃气，经尾喷管喷出而产生推力。燃烧剂和氧化剂统称为推进剂。按推进剂类型的不同，火箭发动机可分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和固液混合发动机三大类。对于液体火箭发动机，按所用推进剂的组元(成分)数目的不同，可以分为单组元、双组元和三组元液体火箭发动机。增加组元使系统复杂，而单组元的推进剂一般能量低，比冲较小，目前常用的是双组元推进剂。,3.4.1火箭发动机的主要性能参数(1)推力(2)冲量和总冲(3)比冲,342液体火箭发动机1.单组元液体火箭发动机,2.双组元液体火箭发动机目前火箭发动机中应用最广的是液体双组元推进系统，因为它是目前可贮存的化学推进剂中比冲很高，且与电推进系统相比，系统耗电量又很少的一种比较成熟的推进系统。(1)液体火箭发动机的组成及工作原理,液体火箭发动机的组成及工作原理,(2)液体推进剂对液体推进剂的要求主要的液体推进剂,3.4.3固体火箭发动机1.固体火箭发动机的组成及工作原理,1-燃烧室壳体；2-药柱；3-包复层；4-喷管摆动机构；5-喷管组件；6-侧面喷管；7-推力终止装置；8-点火装置；9-前顶盖,2.固体火箭发动机的推进剂(1)固体推进剂的种类(2)药柱形状和特点(3)固体火箭发动机的优缺点,3.4.4固液混合火箭发动机1固液混合发动机的组成和工作原理2固液混合发动机的特点,35组合发动机,组合发动机是不同类型发动机的组合。在前几节介绍的各类发动机中，不同类型的发动机有不同的飞行范围(高度和速度)和不同的性能特点。要获得较好的综合性能，可以将不同类型的发动机组合起来，取长补短，就可以达到改善其性能、拓宽其工作范围和满足不同飞行需要的目的。如冲压发动机低速性能不好，但高速性能优越，如果能和其他发动机组合使用，即可发挥它的优点，扩大它的使用范围。目前用于组合的发动机主要有冲压发动机、涡轮喷气发动机和火箭发动机。,351火箭发动机与冲压发动机组合,1-进气扩压器；2-液体推进剂燃气发生器；3-燃烧室；4-尾喷管图3-31液体火箭-冲压发动机,1-燃气发生器；2-扩压器出口堵盖；3-助推器药柱；4-助推器喷管；5-发动机喷管；6-进气扩压器；7-助推补燃室；8-喷管组件图3-32固体火箭-冲压发动机,3.5.2涡轮喷气发动机与冲压发动机组合,1-可调进气道；2-进口导流片（关）；3-可调喷管图3-33涡轮-冲压发动机,353火箭发动机与涡轮喷气发动机组合,1-扩压器；2-压气机；3-气体发生器；4-涡轮；5-燃烧室；6-喷管图3-34火箭-涡轮喷气发动机,36非常规推进系统,在飞行器的推进系统中，目前应用最多的仍是化学燃烧推进系统，它是依靠燃料或推进剂(能源)的化学反应(燃烧)释放内能工作的，因此都属于热化学推进。推进系统的能源同时也是工质，或者是工质的一部分，这类推进系统称为常规推进系统(或化学推进系统)。非常规推进系统不依靠燃烧化学反应的能量而工作，因此又称为非化学推进系统。推进系统的工质和能源往往是分开的，如电推进系统绵能源是电而推进工质（如氢，氩等）依靠电能获得动能而加速工作产生推力。目前的非常规推进系统可以分为电推进系统、核推进系统和太阳能推进系统三大类。,3.6.1电推进系统,电推进系统也称电火箭发动机，是利用电能加速工质，形成高速射流而产生推力的一种推进系统。由于能源和工质分开，所以发动机工作的经济性就不像一般热化学推进系统那样只取决于比冲，而是同时取决于比冲和效率。按照输入电能的主要部分转变成工质动能的原理不同，电推进可分为电热推进系统、电磁推进系统和静电推进系统。,1电热推进系统电热推进系统(电热发动机)是利用电能加热(电阻加热或电弧加热)工质(氢、胺、肼等)，使其气化，然后借助于喷管使工质加速排出。由于加热工质的方式不同，又可分成接触式加热、电弧加热和在热电离等离子体的工质中感应的涡流加热。,飞行器动力系统,如图335所示为接触式加热的原理图,1-供应工质2-加热室和喷管3-加热元件(钨导线)4-加热元件支架图3-35接触式加热电热发动机,飞行器动力系统,电弧加热推进系统如图336所示,图3-36电弧加热推进系统,2电磁推进系统电磁推进系统(电磁火箭发动机)是以氢、氩等气体或金属锂蒸气为工质，在高温情况下被电离，形成等离子体。中性的等离子体具有导电性，形成从环形阳极流向中心圆柱形阴极的电流，工质(导电的等离子体)与磁场相互作用，并被强磁场加速，然后从喷口排出，产生推力。这种发动机的比冲很高，可达50000ms250000ms，但推力很小，所以只能用于航天器的姿态控制、位置保持或者进行星际航行。其原理如图337所示。,图3-37电磁推进系统,3静电推进系统静电推进系统(离子发动机)其工作原理是工质粒子(典型的如氙)首先被电离成为正、负离子，接着带正电的粒子流被静电场加速，依靠被加速的带电粒子流的反作用冲量而产生推力。带正电的粒子流在出口截面或接近出口截面处设置中和器，喷射电子流使整个喷流呈中性。其工作原理如图338所示。,1-工质粒子：2-电离机构：3-聚焦电极4-加速电极：5-中和器图3-38静电推进系统,3.6.2核推进系统,核推进系统(核火箭发动机)是用核能(原子能)作为能源来加热工质(液氢、液氦和液氨等)，得到高速射流产生推力。核火箭发动机由装在推力室中的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统等组成。在核反应堆中，核能转变成内能以加热工质，被加热的工质经喷管膨胀加速后，高速排出产生推力。如图339所示为核火箭发动机的原理图。,1-进口；2-泵；3-涡轮；4-控制棒;5-加热通道；核燃料元件；反射器；喷管图核火箭推进系统,飞行器动力系统,核火箭发动机的比冲高，可达50000100000ms，寿命长，推力大，但技术复杂，只适应于长期工作的航天器。这种发动机由于核辐射防护、排气污染、反应堆控制，以及高效热能交换器的设计等问题，目前仍处于试验阶段。但要发展先进的、大推力、高推重比的单级入轨运载火箭，还必须依靠核火