模型火箭發(fā)動機(jī)相關(guān)常識

航天模型航天模型第五章模型火箭發(fā)動機(jī)第五章模型火箭發(fā)動機(jī)――46―――45―第五章模型火箭發(fā)動機(jī)第一節(jié)概述模型火箭發(fā)動機(jī)是推動模型火箭升空的動力裝置，是模型火箭的心臟，是組成模型火箭的重要部件。正是由于有了它，才使得模型火箭運(yùn)動得以進(jìn)展和推廣，并且變得多姿多彩，布滿生氣和活力；也正是由于有了它，才使得模型火箭的用途更加廣泛，大大豐富了人民的物質(zhì)和文化生活。模型火箭發(fā)動機(jī)實(shí)際上就是一種微型固體火箭發(fā)動機(jī)。由其次章知道，固體火箭發(fā)動機(jī)是中國制造的，南北宋時(shí)期制造的火藥火箭與現(xiàn)代的模型火箭發(fā)動機(jī)，在原理、構(gòu)造和使用材料方面幾乎沒有太大區(qū)分。但是，我國的模型火箭發(fā)動機(jī)起步卻很晚，由于沒有專業(yè)廠家生產(chǎn)的安全牢靠的模型火箭發(fā)動機(jī)，使我國的模40年。直到1993年，西安四凱模型火箭公司向市場供給符合國際標(biāo)準(zhǔn)的模型火箭發(fā)動機(jī)后，才為我國安全開展模型火箭運(yùn)動，供給了牢靠的物質(zhì)保障，從而使我國的模型火箭運(yùn)動步入正軌?！禙AI運(yùn)動規(guī)章，4d局部，航天模型》對模型火箭發(fā)動機(jī)的技術(shù)規(guī)格和安全要求都有嚴(yán)格的規(guī)定，加之使用者并非專業(yè)技術(shù)人員，且多為青少年，年齡跨度和文化水平相距較大，必需確保操作簡潔和使用安全。因此，肯定要嚴(yán)格掌握生產(chǎn)工藝和加工過程，確保生產(chǎn)出符合技術(shù)要求，并且安全牢靠的模型火箭發(fā)動機(jī)。模型火箭發(fā)動機(jī)只能由國家注冊的專業(yè)生產(chǎn)廠生產(chǎn)制造!本章將就模型火箭發(fā)動機(jī)的構(gòu)造、工作原理、分類〔型號〕和使用方法等進(jìn)展介紹，目的在于，使模型火箭運(yùn)發(fā)動和愛好者對發(fā)動機(jī)有較深刻的了解，以便能正確選擇、保存和使用模型火箭發(fā)動機(jī)。其次節(jié)模型火箭發(fā)動機(jī)的構(gòu)造和工作原理一、幾個(gè)根本概念為了便于表達(dá)，我們先介紹幾個(gè)與模型火箭發(fā)動機(jī)性能有關(guān)的技術(shù)術(shù)語。(一)T推力是推動飛行器運(yùn)動的力，是火箭發(fā)動機(jī)工作時(shí)作用在發(fā)動機(jī)內(nèi)、外外表上的各力的合力。模型火箭發(fā)動機(jī)的推力，是由推動劑燃燒生成的燃?xì)?，流?jīng)噴管后，以高速噴射出去而產(chǎn)生的反作用力(單位：牛頓)。模型火箭發(fā)動機(jī)在工作過程中的推力是隨時(shí)間變化的，如圖5.1所示。圖中推力的峰值叫做最大推力，最大推力和最小推力的平均值叫做平均推力。(二)I總沖是對發(fā)動機(jī)的推力在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)的積分，或者說，是發(fā)動機(jī)的平均推力與工作時(shí)間的乘積(·秒)5.1〔陰影局部〕，代表了模型火箭發(fā)動機(jī)總沖的大小，它標(biāo)志著發(fā)動機(jī)能量的大小。(三)t工作時(shí)間是指發(fā)動機(jī)的推動劑從點(diǎn)火引燃到燃燒完畢的全部時(shí)間(單位：秒)。(四)IS比沖是單位質(zhì)量推動劑所產(chǎn)生的沖量(單位：牛頓·秒/千克，米/秒)。對于模型火箭發(fā)動機(jī)來說，其比沖是以發(fā)動機(jī)的總沖除以所消耗的推動劑質(zhì)量得到的。比沖是衡量推動劑能量特性的重要參數(shù)，也是表征發(fā)動機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由其次章知，火箭發(fā)動機(jī)的比沖等于其有效排氣速度，所以，二者具有一樣的量綱，即“長度/時(shí)間”〔單位：米/秒〕，通常人們總是以“牛頓·秒/千克”表示比沖，這樣，物理意義比較明確。5.1推力-時(shí)間曲線二、模型火箭發(fā)動機(jī)構(gòu)造(發(fā)煙)劑、彈射(開傘)劑、堵蓋和點(diǎn)火裝置組成(圖5.2)。對于助推級發(fā)動機(jī)，或用作多級模型火箭前幾級的發(fā)動機(jī)，與一般發(fā)動機(jī)相比，只是少了延時(shí)劑和彈射劑，由于它們不需要施放示蹤煙霧，也沒有翻開回收裝置的要求。(一)殼體模型火箭發(fā)動機(jī)的殼體不僅用來貯存推動劑、延時(shí)劑和彈射劑，而且能使它們在其中進(jìn)展燃燒；此外，還起到固定噴管和堵蓋的作用，從而能維持推動劑燃燒所產(chǎn)生的工作壓強(qiáng)，以保證推動劑正常燃燒(工作)。FAId航天模型》有關(guān)模型火箭發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)動機(jī)殼體只能用低熱傳導(dǎo)率的非金屬材料制造；殼體外外表的溫度在發(fā)動機(jī)工作過程中或200C內(nèi)部超壓狀況下不會裂開。因此，

圖5.2 典型的模型火箭發(fā)動機(jī)殼體通常承受強(qiáng)度較高的牛皮紙經(jīng)多層卷制而成；對于高總沖的模型火箭發(fā)動機(jī)，也可承受纖維增加塑料制造。(二)噴管噴管位于殼體尾部，由收斂段、喉部和擴(kuò)張段3局部組成，是發(fā)動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置，它把推動劑燃燒生成的燃?xì)獾臒崮?，轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿踊鸺斑M(jìn)的動能。因此，噴管的作用有兩個(gè)：其一，使發(fā)動機(jī)內(nèi)部有肯定的壓強(qiáng)，保證推動劑正常燃燒；其二，將推動劑燃燒生成的燃?xì)猓诹鹘?jīng)噴管時(shí)不斷加速，最終以高速從噴管出口面排出，產(chǎn)生推動火箭前進(jìn)的反作用力——推力。噴管應(yīng)承受耐燒蝕材料制造，通常承受陶土經(jīng)特別工藝制成。(三)推動劑模型火箭發(fā)動機(jī)使用的推動劑都呈固態(tài)，所以叫做固體推動劑，是一種特別的含有較高能量的化學(xué)物質(zhì)。它自身包含燃料和氧化劑，燃燒時(shí)不需要外界供給氧氣。通常將推動劑制成密實(shí)的藥柱，置于殼體中，位于噴管之前。推動劑藥柱的外形通常為內(nèi)孔燃燒藥柱，調(diào)整藥柱的內(nèi)孔大小和深淺，可以獲得所需要的推力-時(shí)間曲線。推動劑的用量，依據(jù)發(fā)動機(jī)類別〔型號〕規(guī)定的總沖和推動劑的比沖進(jìn)展計(jì)算：M I (5.1)p Is式中，Mp為推動劑質(zhì)量；I為發(fā)動機(jī)的總沖；IS為推動劑的比沖。(四)延時(shí)(發(fā)煙)劑延時(shí)(發(fā)煙)火箭的飛行軌跡，以便放飛人員肉眼跟蹤或地面跟蹤儀器測量火箭高度；同時(shí)，使火箭有時(shí)間利用慣性連續(xù)爬升，以到達(dá)最大高度。延時(shí)劑一般也制成藥柱，置于推動劑藥柱后邊，當(dāng)推動劑燃燒完畢時(shí)，即引燃延時(shí)劑。延時(shí)劑的用量可依據(jù)火箭慣性飛行距離和延時(shí)劑的性能參數(shù)進(jìn)展計(jì)算：M r 2hA

-----------------------(5.2)d d g c d式中，M，為延時(shí)發(fā)煙劑質(zhì)量；hr

為延時(shí)劑的燃速；d dAc為殼體內(nèi)橫截面積；d為延時(shí)劑密度，g為重力加速度。(五)彈射(開傘)劑彈射(開傘)延時(shí)劑燃盡，隨即引燃彈射劑，彈射劑瞬即產(chǎn)生的大量氣體沖破堵蓋，將箭體中的回收裝置(一般都承受降落傘)連同頭錐一齊推出，然后降落傘自行開放，帶著頭錐和箭體安全降落到地面上。彈射劑用量以能將降落傘快速推出筒體而又不損傷傘面和傘繩為原則，可以通過試驗(yàn)確定。(六)堵蓋堵蓋一般也承受陶土制造，用于封堵發(fā)動機(jī)殼體，貯存時(shí)起到密封和防潮的(七)點(diǎn)火裝置模型火箭發(fā)動機(jī)使用的點(diǎn)火裝置，實(shí)際上是一個(gè)電點(diǎn)火頭(圖5.3)，由導(dǎo)線、橋絲、熱敏藥組成。電點(diǎn)火頭通常經(jīng)過噴管插入推動劑藥柱內(nèi)孔中。

圖5.3 電點(diǎn)火頭三、工作原理簡介模型火箭發(fā)動機(jī)的工作原理，與一般的化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)一樣，利用其自身攜帶的推動劑，在殼體內(nèi)燃燒，生成高溫、高壓的燃?xì)?，流?jīng)噴管后，不斷加速，最終以極高速度(大于聲速)從噴管出口面噴射出去，直接產(chǎn)生反作用的推力。有關(guān)火箭發(fā)動機(jī)推力的推導(dǎo)過程，有興趣的讀者可以參看其次章第四節(jié)。四、發(fā)動機(jī)工作過程及其對應(yīng)的火箭飛行階段模型火箭發(fā)動機(jī)的工作過程及其對應(yīng)的火箭飛行階段可以分為3個(gè)連續(xù)過程(5.4)。(一)點(diǎn)火和推動劑燃燒過程(發(fā)動機(jī)工作過程)/火箭主動飛行階段接通電點(diǎn)火頭的電源，其上的熱敏藥被點(diǎn)燃，從而引燃推動劑藥柱，使推動劑燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)?，通過噴管不斷加速，以極高速度從噴管出口面排出，產(chǎn)生反作用的推力，推動模型火箭不斷上升?；鸺诎l(fā)動機(jī)工作過程的飛行階段，叫做主動飛行階段或動力飛行階段。(二)延時(shí)劑燃燒過程/火箭慣性飛行階段推動劑燃燒完畢后，緊接著便引燃相鄰的延時(shí)劑，延時(shí)劑燃燒產(chǎn)生煙霧，指示火箭慣性飛行軌跡。當(dāng)延時(shí)劑開頭燃燒時(shí)，火箭利用主動段得到的速度進(jìn)展慣性飛行；當(dāng)火箭到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)，延時(shí)劑正好燃燒完畢。準(zhǔn)確的延時(shí)劑用量，應(yīng)使其燃燒時(shí)間貫穿于整個(gè)火箭的慣性飛行階段。需要說明一下，市場銷售的標(biāo)準(zhǔn)模型火箭發(fā)動機(jī)的延時(shí)時(shí)間，是依據(jù)一般模型火箭慣性飛行高度確定的，15%的偏差。所以對于某一具體模型火箭，它不肯定滿足火箭在最高點(diǎn)時(shí)延時(shí)劑正好燃燒完畢。對于參賽用的模型火箭，應(yīng)當(dāng)依據(jù)選用的模型火箭發(fā)動機(jī)型號來設(shè)計(jì)，以使其質(zhì)量和阻力滿足慣性飛行高度的需要，這樣可以取得良好的成績。

圖5.4 發(fā)動機(jī)工作過程及其火箭飛行階段(三)彈射劑燃燒過程/火箭自由飛行階段延時(shí)劑燃燒完畢，馬上引燃彈射劑，彈射劑瞬即燃燒，產(chǎn)生大量膨脹氣體，從而沖破堵蓋，將回收裝置連同頭錐推出箭體筒段。這時(shí)火箭處于自由飛行階段，亦即留空和回收階段。留空時(shí)間的長短，取決于降落傘出筒速度、開傘速度、傘的面積和火箭降落時(shí)的大氣環(huán)境。第三節(jié)模型火箭發(fā)動機(jī)分類模型火箭發(fā)動機(jī)是依據(jù)總沖大小進(jìn)展分類的。依據(jù)《FAI運(yùn)動規(guī)章，4d局部，航天模型》的規(guī)定，發(fā)動機(jī)依據(jù)總沖分為６類〔5.1〕。5.1中，A型發(fā)動機(jī)，國內(nèi)還細(xì)分為1/2A(0~1.250?！っ?A(1.26~2.50?！っ?1/4A(0~0.625?！っ?、1/2A(0.626~1.25?！っ?和A(1.251~2.50牛·秒)。市面供給的模型火箭發(fā)動機(jī)，在殼體上都標(biāo)有發(fā)動機(jī)的類別和性能參數(shù)，例如，四凱模型火箭公司生產(chǎn)的A型發(fā)動機(jī)，在殼體上標(biāo)明“A6-3”，表示該發(fā)動表5.1 模型火箭發(fā)動機(jī)分類表發(fā)動機(jī)類別(型號)ABCDEF總表5.1 模型火箭發(fā)動機(jī)分類表發(fā)動機(jī)類別(型號)ABCDEF總沖0~2.50N·s2.51~5.00N·s5.01~10.00N·s10.01~20.00N·s20.01~40.00N·s40.01~80.00N·s推算出A6-3型發(fā)動機(jī)的工作時(shí)間(即推動劑的燃燒時(shí)間)為2.5?！っ?6牛0.42秒。四凱模型火箭公司生產(chǎn)的A、BC型發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸為1870毫米(直徑長度)。第四節(jié)發(fā)動機(jī)的使用和留意事項(xiàng)模型火箭發(fā)動機(jī)屬于火工品范疇，《FAI運(yùn)動規(guī)章，4d局部，航天模型》對其作了具體規(guī)定。使用時(shí)必需留意安全，嚴(yán)格依據(jù)說明書進(jìn)展操作。一、留意事項(xiàng)模型火箭發(fā)動機(jī)在貯存和使用過程中應(yīng)留意以下事項(xiàng)：購進(jìn)的發(fā)動機(jī)和點(diǎn)火頭應(yīng)原封不動地存放在避光的陰涼枯燥處，遠(yuǎn)離火源和電源。在臨使用前開啟發(fā)動機(jī)及電點(diǎn)火頭的包封，對未使用的發(fā)動機(jī)和電點(diǎn)火頭仍舊放進(jìn)包裝內(nèi)，電點(diǎn)火頭應(yīng)以軟紙包裹好。嚴(yán)禁解剖發(fā)動機(jī)和將其投入火中。12歲以下兒童必需在成人指導(dǎo)下使用發(fā)動機(jī)。二、發(fā)動機(jī)和電點(diǎn)火頭的安裝和使用為了協(xié)作發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火，請購置模型火箭發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠配套生產(chǎn)的點(diǎn)火掌握器，以確保安全。發(fā)動機(jī)的安裝和使用程序如下：將電點(diǎn)火頭通過發(fā)動機(jī)的噴管孔插入推動劑藥柱孔內(nèi)(點(diǎn)火頭必需接觸到藥柱)。用小棉