固體火箭發動機氣體動力學-全65集

固體火箭發動機

固體火箭發動機為使用固體推進劑的化學火箭發動機。固體推進劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

固體火箭發動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量添加劑製成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置於燃燒室（一般即為發動機殼體）中。在推進劑燃燒時，燃燒室須承受2500～3500度的高溫和102～2×107帕的高壓力，所以須用高強度合金鋼、鈦合金或複合材料製造，並在藥柱與燃燒內壁間裝備隔熱襯。

點火裝置用於點燃藥柱，通常由電發火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電後由電熱絲點燃黑火藥，再由黑火藥點火燃藥拄。

噴管除使燃氣膨脹加速產生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統組成噴管組件。該系統能改變燃氣噴射角度，從而實現推力方向的改變。

藥柱燃燒完畢，發動機便停止工作。

固體火箭發動機與液體火箭發動機相比較，工作時間短，加速度大導致推力不易控制，重複起動困難，從而不利於載人飛行。

固體火箭發動機主要用作火箭彈、導彈和探空火箭的發動機，以及航天器發射和飛機起飛的助推發動機。

固體火箭發動機主要由殼體、固體推進劑、噴管組件、點火裝置等四部分組成，其中固體推進劑配方及成型工藝、噴管設計及採用材料與製造工藝、殼體材料及製造工藝是最為關鍵的環節，直接影響固體發動機的性能。

固體推進劑配方各種組分的混合物可以用壓伸成型工藝預製成藥柱再裝填到殼體內，也可以直接在殼體內進行貼壁澆鑄。殼體直接用作燃燒室。噴管用於超音速排出燃氣，產生推力；噴管組件還要有推力矢量控制（TVC）系統來控制導彈的飛行姿勢。點火裝置在點火指令控制下解除安全保險並點燃發火藥產生高溫高壓火焰用於點燃殼體內的推進劑。

氣體動力學

氣體動力學是流體力學的一個分支，在連續介質假設下，研究與熱力學現象有關的氣體的運動規律及其與相對運動物體之間的相互作用。氣體在低速流動時屬不可壓縮流動，其熱力狀態的變化可以不考慮；但在高速流動（如馬赫數大於0.3左右）時，氣

體的壓縮效應不能忽略，其熱力狀態也發生明顯的變化，氣體運動既要滿足流體力學的定律，也要滿足熱力學的定律。流體力學和熱力學的緊密結合，便形成了氣體動力學。
　

氣體動力學開始於對彈丸運動、蒸汽渦輪等的研究，隨著航空和航天工業的蓬勃發展，出現了不少新的分支。

１高溫氣體動力學

高溫氣體動力學。研究高溫氣體的流動規律和伴隨的各種物理化學變化、能量傳遞和轉化規律。例如在噴氣發動機的燃燒室、再入大氣層航天器表面的激波層和高超聲速尾跡中，氣體溫度極高，氣體比熱不再是常數，完全氣體的狀態方程(p=ρRT，p、ρ、T為氣體的壓力、密度、溫度，R為氣體常量）不再適用。此外，氣體分子內部各種能級的激發（平動、轉動和振動等）處於不平衡狀態，出現非平衡流動。在極高溫度下，氣流中還伴有離解和電離過程以及物面燒蝕現象。因此，高溫氣體動力學的研究，要把氣體動力學與熱力學、統計物理、分子物理、化學動力學和電磁學等結合起來，並要用到物理、化學和氣體動力學等實驗技術，光譜、激光、電子、力學等測量方法，激波管、電弧加熱器等試驗設備。高溫氣體動力學的研究對航空航天工業、激光器、等離子體技術等方面的發展，有重要意義。

２稀薄氣體動力學

稀薄氣體動力學。研究克努曾數Kn（見流體力學相似准數）並非遠小於1的稀薄氣體的運動規律。對於在高空大氣層飛行的航天器，Kn不是小量，氣體分子離散結構顯示其影響，經典的連續介質模型不再適用。在地面上研究5微米以下氣溶膠粒子的運動，也須考慮稀薄氣體效應。研究稀薄氣體動力學，要用到玻耳茲曼氣體分子運動方程和氣體分子與固體表面相互作用的理論，以及低密度風洞、激波風洞、分子束裝置等實驗設備。稀薄氣體動力學的研究對人造地球衛星、航天飛機及某些非航天技術的發展，起著重要作用。

３宇宙氣體動力學

宇宙氣體動力學。應用氣體動力學的方法研究宇宙中物質的形態和運動規律。宇宙中的物質形態以等離子體為主，還有稀薄氣體，行星內部有液態核，它們都是流體或磁流體。所以應用流體力學和磁流體力學的理論和方法能描述很多宇觀尺度的天體過程。宇宙氣體動力學的研究領域已從行星環境擴展到太陽內部，從氣體星雲到星系，以至到局部宇宙的演化規律，並取得一批成果，其中包括太陽風、地球磁層、氣體星雲的收縮和碎裂、無碰撞激波、恆星大氣的反常加熱、宇宙中磁場的起源和演變、宇宙中的湍流特性、星系漩渦結構的密度波理論等。現在，大量天體物理的問題都採用氣體動力學的概念和方法進行研究，而討論具體的物理化學過程又反過來擴展了氣體動力學的領域。