[发明专利]火箭在大气中作音速及超音速飞行的发动机喷管设计法

说明书

本发明公开一种火箭在大气中作音速及超音速飞行的发动机喷管设计法，涉及火箭发动机喷管，原火箭发动机推力方程用于火箭在大气中音速及超音速飞行阶段的发动机喷管设计，造成浪费了大量燃气热能，本发明根据“禁信原理”，推演出大气静压p_a波及不到向前作超音速飞行的火箭底端面及喷管内壁附面层去影响喷气推力，为此，更新出新火箭发动机推力方程为据此得出火箭在大气中作音速及超音速飞行的发动机喷管设计法：发动机喷口处燃气静压p_e不受火箭环境大气静压p_a的影响，在衡量发动机喷管结构尺寸和重量利弊后，尽量扩大发动机喷管，使燃气在喷管里能更充分膨胀，更大地提高喷管推进效率。

技术领域

本发明涉及火箭发动机，特别是涉及一种火箭发动机喷管设计。

背景技术

长期以来，火箭发动机喷管的设计都按从经典火箭发动机推力方程

(其中P-火箭发动机推力，每秒喷气质量，v_e-喷气相对速度，p_a-大气静压，p_e-喷口燃气静压，A_e-喷口横截面积，内流轴向合力，-p_aA_e-大气静推力)。

引申出来的“发动机设计高度”命题的指导来执行的：

“喷管的工作条件可分为三种情况

1、欠膨胀情况 p_e＞p_a

燃料的能量未能充分利用

2、计算情况 p_e＝p_a

推力为最大值.

3、过膨胀情况 p_e＜p_a

膨胀过分引起喷管的一部分区域产生负推力，反而使推力下降.

选定的p_e必然和某一飞行高度的大气静压p_a相等，这个高度称为发动机的设计高度.喷管喉部以后为超音速气流，根据‘禁信原理：以超音速运动的物体所产生的压力变化的影响不能波及到物体的前方.换句话说，扰动源向上游发出的信息受到禁止’，外界压力是不可能逆流上传的，(这正像逆水行舟一样，当船速小于水速时，小船只有后退而不能前进)，但是由于气流在贴壁处有一个附面层，这里流速很低.当p_e选得远低于大气静压p_a(设计高度很高)时，在一定条件下，大气压力可以由此传入，使燃气发生分离.引起喷管一部分区域产生负推力及不稳定的侧向力.”(请見：苗瑞生，居贤铭.火箭气体动力学[M].北京：国防工业出版社，1985.79-81，50，76)

但从原来推导火箭发动机推力方程中的“大气静推力-p_aA_e”时的前提：“在确定火箭总推力时不考虑空气动力，但要考虑空气静力.”及“在火箭外表面作用着均匀的大气静压，但喷口截面不包括在内.”、“在底端面上大气压力的合力：p_a(S-A_e)(向前)”。(请見：苗瑞生，居贤铭.火箭气体动力学[M].北京：国防工业出版社，1985.79-81，)可看出，在推导“大气静推力-p_aA_e”时，火箭及的。(根据气动阻力理论，若火箭与大气作相对超音速运动的话，则不仅要考虑空气静力，还要考虑空气动力，同时，除喷口外的火箭底端面与火箭侧表面的大气静压就不是同值，而是相差悬殊了)；再看火箭发动机系留测试法“在静态火箭发动机系留试验过程中，不存在气动力和科氏惯性力.因此很显然，除了重力和试验台的系留作用力之外，推力是作用在火箭上唯一的力.”(请見：中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.运载火箭推进系统[M].北京：国防工业出版社，2002.19-20))(图1)。显然，火箭发动机系留测试法的的。