第3章-飛行器的動力系統(tǒng)

1、飛行器動力系統(tǒng),飛行器的心臟,主 要 內 容,3.1 發(fā)動機的分類及特點 3.2 活塞式發(fā)動機 3.3 空氣噴氣發(fā)動機 3.4 火箭發(fā)動機 3.5 組合式發(fā)動機 3.6 非常規(guī)推進系統(tǒng),3.1 發(fā)動機的分類及特點,飛行器發(fā)動機的種類很多，其用途也各不相同。通?？梢园窗l(fā)動機產生推力原理的不同和發(fā)動機工作原理的不同將發(fā)動機分為如下4大類，如圖示。,不同類型的發(fā)動機由于其結構和產生推力的原理的不同，適合不同的速度和高度范圍，如

2、圖3—2所示列出了各類發(fā)動機的適用范圍情況。,3.2 活塞式航空發(fā)動機,3．2．1 活塞式發(fā)動機的主要組成,1—氣缸；2-活塞；3-進氣門；4-進氣閥；5-排氣門；6-排氣閥；7-連桿；8-曲軸,3．2．2 活塞式發(fā)動機的工作原理 活塞發(fā)動機一般都用汽油作為燃料，它的每一循環(huán)包括四個行程(即活塞在氣缸中上下運動各兩次)，即進氣行程、壓縮行程、膨脹行程和排氣行程，如圖3—3所示。

3、 在進氣行程，活塞從上死點運動到下死點，進氣活門開放而排氣活門關閉，霧化了的汽油和空氣的混合氣體被下行的活塞吸人氣缸內。在壓縮行程，活塞從下死點運動到上死點，進氣活門和排氣活門都關閉，混合氣體在氣缸內被壓縮．在上死點附近，由裝在氣缸頭部的火花塞點火。在膨脹行程，混合氣體點燃后，具有高溫高壓的燃氣開始膨脹，推動活塞從上死點向下死點運動。在此行程，燃燒氣體所蘊含的內能轉變?yōu)榛钊\動的機械能，并由連桿傳給曲軸，成為帶動螺旋槳轉動的動力

4、。所以膨脹行程也叫做功行程。在排氣行程，活塞從下死點運動到上死點，排氣活門開放，燃燒后的廢氣被活塞排出缸外。當活塞到達上死點后，排氣活門關閉，此時就完成了四個行程的循環(huán)。,兩種典型的冷卻方式：,3．2．3 活塞式發(fā)動機的輔助系統(tǒng) (1)進氣系統(tǒng) 進氣系統(tǒng)內常裝有增壓器來增大進氣壓力，以此改善高空性能。 (2)燃料系統(tǒng) 燃料系統(tǒng)由燃料泵、氣化器或燃料噴射裝置等組成。燃料泵將汽油壓人氣化器，

5、汽油在此霧化并與空氣混合進入氣缸。 (3)點火系統(tǒng) 點火系統(tǒng)由磁電機產生的高壓電在規(guī)定的時間產生電火花，將氣缸內的混合氣體點燃。 (4)冷卻系統(tǒng) 發(fā)動機內燃料燃燒時產生的熱量除轉化為動能和排出的廢氣所帶走的部分內能外，還有很大一部分傳給了氣缸壁和其他有關機件。冷卻系統(tǒng)的作用就是將這些熱量散發(fā)出去，以保證發(fā)動機的正常工作。 (5)啟動系統(tǒng) 將發(fā)動機發(fā)動起來，需要借助外來動力

6、，通常用電動機帶動曲軸轉動使發(fā)動機動。 (6)定時系統(tǒng) 定時系統(tǒng)是由曲軸帶動凸輪盤推動連桿和搖臂，定時將進氣活門和排氣活門開啟和關閉的系統(tǒng)。,3．2．4 航空活塞式發(fā)動機主要性能指標 活塞式發(fā)動機的主要要求是重量輕、功率大、尺寸小和耗油省等，因此活塞式發(fā)動機的主要性能指標有以下幾個。 (1)發(fā)動機功率 (2)功率重量比 (3)燃料

7、消耗率,3．3 空氣噴氣發(fā)動機,3.3.1 空氣噴氣發(fā)動機的主要性能參數 (1)推力 (2)單位推力 (3)推重比 (4)單位耗油率,3.3.2 燃氣渦輪發(fā)動機 燃氣渦輪發(fā)動機是目前應用最廣泛的航空發(fā)動機，它主要由壓氣機、燃燒室和渦輪組成

8、。按核心機出口燃氣可用能量的利用方式不同，燃氣渦輪發(fā)動機分為渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺槳發(fā)動機、渦輪槳扇發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機和垂直起落發(fā)動機等。,渦輪噴氣發(fā)動機,(1)進氣道系統(tǒng) 功用：是整理進入發(fā)動機的氣流，消除旋渦，保證在各種工作狀態(tài)下都能供給發(fā)動機所需要的空氣量。尤其是在高速飛行的情況下，要通過進氣道將高速氣流的速度逐漸降下來，盡量將氣流的動能轉變?yōu)閴毫菽?，然后再進入壓氣機，保證壓氣機有良好的工作條件

9、。 分類：根據飛機飛行速度的不同，進氣道可分為亞聲速進氣道和超聲速進氣道。,(2)壓氣機 功用：提高進入發(fā)動機燃燒室的空氣壓力。它是利用高速旋轉的葉片對空氣做功的。 分類：壓氣機有離心式和軸流式兩種類型。,軸流式壓氣機組成,(3)燃燒室 功用：是燃料與從壓氣機出來的高壓空氣混合燃燒 的地方。燃料(航空煤油)燃燒后，燃料的化

10、 學能轉變?yōu)閮饶埽瑲怏w溫度和壓力升高。高 溫、高壓的氣體沖向渦輪，驅動渦輪旋轉而 發(fā)出功率。 基本結構形式：由火焰筒、噴嘴、渦流器和燃燒室 外套組成 。 典型結構： 單管燃燒室 聯(lián)管燃燒室

11、 環(huán)管燃燒室,燃燒室的組成和工作原理,(4)渦 輪 功用：是將燃燒室出口的高溫、高壓氣體的能量轉變?yōu)?機械能。燃氣從燃燒室流出后，沖擊渦輪使其高 速旋轉產生機械能。渦輪的機械能以軸功率的形 式輸出，驅動壓氣機、風扇、螺旋槳和其他附件 轉動。燃氣經過渦輪后，溫度及壓力驟然下

12、降， 速度漸增。從渦輪流出的燃氣流向尾噴管，由尾 噴管噴出產生推力。 典型結構：,(5)加力燃燒室 功用：加力燃燒室位于渦輪的后面，流經 渦輪的燃氣中還有不少氧氣，因此 可以在加力燃燒室再次噴油燃燒， 以提高噴管出口燃氣的噴射速度而

13、 加大推力。,(6)尾噴管 功用：燃氣膨脹加速產生反推力、抑制噪 音和紅外輻射。 典型結構：,渦輪螺槳發(fā)動機,1-螺旋槳；2-減速齒輪；3-進氣道；4-壓氣機；5-燃燒室；6-渦輪；7-尾噴管,渦輪風扇發(fā)動機,1-風扇；2-壓氣機；3-燃燒室；4-高壓渦輪；5-低壓渦輪；6-尾噴管,渦輪槳扇發(fā)動機,渦輪軸發(fā)動機,垂直起落發(fā)動機,可轉噴口的渦輪風扇發(fā)動機,升力風扇發(fā)動機,3．3 .3 沖壓噴

14、氣發(fā)動機,沖壓發(fā)動機的組成,3．3．4 渦輪噴氣發(fā)動機的工作狀態(tài) 發(fā)動機規(guī)定的工作狀態(tài)通常有 起飛狀態(tài)： 最大狀態(tài)： 額定狀態(tài)： 巡航狀態(tài)： 慢車狀態(tài)：,3．4 火箭發(fā)動機,如前所述，空氣噴氣發(fā)動機燃料的燃燒需要利用大氣中的氧氣作為氧化劑，因此只能作為航空器飛行的動力。而火箭發(fā)動機的特點是不僅自帶燃燒劑，而且自帶氧化劑，它既能在大氣層內工作，也可在大氣層外的真空中工作。因此可

15、作為火箭、導彈和航天器飛行的主要動力。 按加速工作介質(氣流)的能源的不同，火箭發(fā)動機可分為化學能火箭發(fā)動機與非化學火箭發(fā)動機(如電能火箭發(fā)動機、核能火箭發(fā)動機等)。目前使用最多的是化學能火箭發(fā)動機。化學能火箭發(fā)動機的工作原理是將燃燒劑和氧化劑在燃燒室進行燃燒，將化學能轉變成內能， 生成高溫燃氣，經尾噴管噴出而產生推力。燃燒劑和氧化劑統(tǒng)稱為推進劑。按推進劑類型的不同，火箭發(fā)動機可分為液體火箭發(fā)動機、固體火箭發(fā)動機和固液混合發(fā)動機三大

16、類。對于液體火箭發(fā)動機，按所用推進劑的組元(成分)數目的不同，可以分為單組元、雙組元和三組元液體火箭發(fā)動機。增加組元使系統(tǒng)復雜，而單組元的推進劑一般能量低，比沖較小，目前常用的是雙組元推進劑。,3.4.1 火箭發(fā)動機的主要性能參數 (1)推 力 (2)沖量和總沖 (3)比 沖,3．4．2 液體火箭發(fā)動機 1.單組元液體火箭發(fā)動機,2.雙組元液體火箭發(fā)動機 目

17、前火箭發(fā)動機中應用最廣的是液體雙組元推進系統(tǒng)，因為它是目前可貯存的化學推進劑中比沖很高，且與電推進系統(tǒng)相比，系統(tǒng)耗電量又很少的一種比較成熟的推進系統(tǒng)。 (1)液體火箭發(fā)動機的組成及工作原理,液體火箭發(fā)動機的組成及工作原理,(2)液體推進劑 ①對液體推進劑的要求 ②主要的液體推進劑,3.4.3 固體火箭發(fā)動機 1.固體火箭發(fā)動機的組成及工作原理,1-燃燒室殼體；2-藥柱；3-包復層；4

18、-噴管擺動機構；5-噴管組件；6-側面噴管；7-推力終止裝置；8-點火裝置；9-前頂蓋,2.固體火箭發(fā)動機的推進劑 (1)固體推進劑的種類 (2)藥柱形狀和特點 (3)固體火箭發(fā)動機的優(yōu)缺點,3.4.4 固—液混合火箭發(fā)動機 1．固—液混合發(fā)動機的組成和工作原理 2．固—液混合發(fā)動機的特點,3．5 組合發(fā)動機,組合發(fā)動機是不同類型發(fā)動機的組合。在前幾節(jié)介紹的各類發(fā)動機

19、中，不同類型的發(fā)動機有不同的飛行范圍(高度和速度)和不同的性能特點。要獲得較好的綜合性能，可以將不同類型的發(fā)動機組合起來，取長補短，就可以達到改善其性能、拓寬其工作范圍和滿足不同飛行需要的目的。如沖壓發(fā)動機低速性能不好，但高速性能優(yōu)越，如果能和其他發(fā)動機組合使用，即可發(fā)揮它的優(yōu)點，擴大它的使用范圍。目前用于組合的發(fā)動機主要有沖壓發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機。,3．5．1 火箭發(fā)動機與沖壓發(fā)動機組合,1-進氣擴壓器；2-液體推進

20、劑燃氣發(fā)生器；3-燃燒室；4-尾噴管圖3-31 液體火箭-沖壓發(fā)動機,1-燃氣發(fā)生器；2-擴壓器出口堵蓋；3-助推器藥柱；4-助推器噴管；5-發(fā)動機噴管；6-進氣擴壓器；7-助推補燃室；8-噴管組件圖3-32 固體火箭-沖壓發(fā)動機,3.5.2 渦輪噴氣發(fā)動機與沖壓發(fā)動機組合,1-可調進氣道；2-進口導流片（關）；3-可調噴管圖3-33 渦輪-沖壓發(fā)動機,3．5．3 火箭發(fā)動機與渦輪噴氣發(fā)動機組合,1-擴壓器；2-壓氣機；3-

21、氣體發(fā)生器；4-渦輪；5-燃燒室；6-噴管圖3-34 火箭-渦輪噴氣發(fā)動機,3．6 非常規(guī)推進系統(tǒng),在飛行器的推進系統(tǒng)中，目前應用最多的仍是化學燃燒推進系統(tǒng)，它是依靠燃料或推進劑(能源)的化學反應(燃燒)釋放內能工作的，因此都屬于熱化學推進。推進系統(tǒng)的能源同時也是工質，或者是工質的一部分，這類推進系統(tǒng)稱為常規(guī)推進系統(tǒng)(或化學推進系統(tǒng))。 非常規(guī)推進系統(tǒng)不依靠燃燒化學反應的能量而工作，因此又稱為非化學推進系統(tǒng)。推進系統(tǒng)的工質和能源往

22、往是分開的，如電推進系統(tǒng)綿能源是電而推進工質（如氫，氬等）依靠電能獲得動能而加速工作產生推力。目前的非常規(guī)推進系統(tǒng)可以分為電推進系統(tǒng)、核推進系統(tǒng)和太陽能推進系統(tǒng)三大類。,3.6.1 電推進系統(tǒng),電推進系統(tǒng)也稱電火箭發(fā)動機，是利用電能加速工質，形成高速射流而產生推力的一種推進系統(tǒng)。由于能源和工質分開，所以發(fā)動機工作的經濟性就不像一般熱化學推進系統(tǒng)那樣只取決于比沖，而是同時取決于比沖和效率。 按照輸入電能的主要部分轉變成工質動能的原理不

23、同，電推進可分為電熱推進系統(tǒng)、電磁 推進系統(tǒng)和靜電推進系統(tǒng)。,1．電熱推進系統(tǒng) 電熱推進系統(tǒng)(電熱發(fā)動機)是利用電能加熱(電阻加熱或電弧加熱)工質(氫、胺、肼等)，使其氣化，然后借助于噴管使工質加速排出。由于加熱工質的方式不同，又可分成接觸式加熱、電弧加熱和在熱電離等離子體的工質中感應的渦流加熱。,飛行器動力系統(tǒng),如圖3—35所示為接觸式加熱的原理圖,1-供應工質 2-加熱室和噴管 3-加熱元件(鎢導線) 4-加熱元件支架

24、 圖3-35 接觸式加熱電熱發(fā)動機,飛行器動力系統(tǒng),電弧加熱推進系統(tǒng)如圖3—36所示,圖3-36 電弧加熱推進系統(tǒng),2．電磁推進系統(tǒng) 電磁推進系統(tǒng)(電磁火箭發(fā)動機)是以氫、氬等氣體或金屬鋰蒸氣為工質，在高溫情況下被電離，形成等離子體。中性的等離子體具有導電性，形成從環(huán)形陽極流向中心圓柱形陰極的電流，工質(導電的等離子體)與磁場相互作用，并被強磁場加速，然后從噴口排出，產生推力。這種發(fā)動機的比沖很高，

25、可達50 000m／s～250 000m／s，但推力很小，所以只能用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持或者進行星際航行。其原理如圖3—37所示。,圖3-37 電磁推進系統(tǒng),3．靜電推進系統(tǒng) 靜電推進系統(tǒng)(離子發(fā)動機)其工作原理是工質粒子(典型的如氙)首先被電離成為正、負離子，接著帶正電的粒子流被靜電場加速，依靠被加速的帶電粒子流的反作用沖量而產生推力。帶正電的粒子流在出口截面或接近出口截面處設置中和器，噴射電子流使整個噴流呈中性。其

26、工作原理如圖3—38所示。,1-工質粒子：2-電離機構：3-聚焦電極 4-加速電極：5-中和器圖3-38靜電推進系統(tǒng),3.6.2 核推進系統(tǒng),核推進系統(tǒng)(核火箭發(fā)動機)是用核能(原子能)作為能源來加熱工質(液氫、液氦和液氨等)，得到高速射流產生推力。核火箭發(fā)動機由裝在推力室中的核反應堆、冷卻噴管、工質輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。在核反應堆中，核能轉變成內能以加熱工質，被加熱的工質經噴管膨脹加速后，高速排出產生推力。如圖3—3

27、9所示為核火箭發(fā)動機的原理圖。,1-進口；2-泵；3-渦輪；4-控制棒;5-加熱通道；６－核燃料元件；７－反射器；８－噴管圖３－３９　核火箭推進系統(tǒng),飛行器動力系統(tǒng),核火箭發(fā)動機的比沖高，可達50 000～100 000 m／s，壽命長，推力大，但技術復雜，只適應于長期工作的航天器。這種發(fā)動機由于核輻射防護、排氣污染、反應堆控制，以及高效熱能交換器的設計等問題，目前仍處于試驗階段。但要發(fā)展先進的、大推力、高推重比的單級入軌運載火箭，還

28、必須依靠核火箭發(fā)動機。,3.6.3 太陽能推進系統(tǒng),太陽能推進系統(tǒng)(太陽能火箭發(fā)動機)是第三類迅速發(fā)展的非常規(guī)推進系統(tǒng)。其工作原理如圖3—40所示。整個系統(tǒng)可以分成光學采集和發(fā)動機系統(tǒng)兩部分。發(fā)動機系統(tǒng)實際上是一種熱能轉換裝置，主要用于迅速地加熱工質，減少系統(tǒng)的熱損失。光學采集系統(tǒng)是和發(fā)動機系統(tǒng)聯(lián)系在一起的—面(或多面)大型拋物面反射器，鏡面可以繞自身軸線轉動，采集陽光時可不受發(fā)動機方向的限制。鏡面收集到的太陽能聚焦在熱交換器系統(tǒng)，將