模型火箭發(fā)動機相關常識

航天模型航天模型第五章模型火箭發(fā)動機第五章模型火箭發(fā)動機――46―――45―第五章模型火箭發(fā)動機第一節(jié)概述模型火箭發(fā)動機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，才使得模型火箭運動得以進展和推廣，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和文化生活。模型火箭發(fā)動機實際上就是一種微型固體火箭發(fā)動機。由其次章知道，固體火箭發(fā)動機是中國制造的，南北宋時期制造的火藥火箭與現(xiàn)代的模型火箭發(fā)動機，在原理、構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)動機起步卻很晚，由于沒有專業(yè)廠家生產的安全牢靠的模型火箭發(fā)動機，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準的模型火箭發(fā)動機后，才為我國安全開展模型火箭運動，供給了牢靠的物質保障，從而使我國的模型火箭運動步入正軌?！禙AI運動規(guī)章，4d局部，航天模型》對模型火箭發(fā)動機的技術規(guī)格和安全要求都有嚴格的規(guī)定，加之使用者并非專業(yè)技術人員，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，肯定要嚴格掌握生產工藝和加工過程，確保生產出符合技術要求，并且安全牢靠的模型火箭發(fā)動機。模型火箭發(fā)動機只能由國家注冊的專業(yè)生產廠生產制造!本章將就模型火箭發(fā)動機的構造、工作原理、分類〔型號〕和使用方法等進展介紹，目的在于，使模型火箭運發(fā)動和愛好者對發(fā)動機有較深刻的了解，以便能正確選擇、保存和使用模型火箭發(fā)動機。其次節(jié)模型火箭發(fā)動機的構造和工作原理一、幾個根本概念為了便于表達，我們先介紹幾個與模型火箭發(fā)動機性能有關的技術術語。(一)T推力是推動飛行器運動的力，是火箭發(fā)動機工作時作用在發(fā)動機內、外外表上的各力的合力。模型火箭發(fā)動機的推力，是由推動劑燃燒生成的燃氣，流經噴管后，以高速噴射出去而產生的反作用力(單位：牛頓)。模型火箭發(fā)動機在工作過程中的推力是隨時間變化的，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)動機的推力在整個工作時間內的積分，或者說，是發(fā)動機的平均推力與工作時間的乘積(·秒)5.1〔陰影局部〕，代表了模型火箭發(fā)動機總沖的大小，它標志著發(fā)動機能量的大小。(三)t工作時間是指發(fā)動機的推動劑從點火引燃到燃燒完畢的全部時間(單位：秒)。(四)IS比沖是單位質量推動劑所產生的沖量(單位：牛頓·秒/千克，米/秒)。對于模型火箭發(fā)動機來說，其比沖是以發(fā)動機的總沖除以所消耗的推動劑質量得到的。比沖是衡量推動劑能量特性的重要參數(shù)，也是表征發(fā)動機性能的一個重要指標。由其次章知，火箭發(fā)動機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-時間曲線二、模型火箭發(fā)動機構造(發(fā)煙)劑、彈射(開傘)劑、堵蓋和點火裝置組成(圖5.2)。對于助推級發(fā)動機，或用作多級模型火箭前幾級的發(fā)動機，與一般發(fā)動機相比，只是少了延時劑和彈射劑，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)動機的殼體不僅用來貯存推動劑、延時劑和彈射劑，而且能使它們在其中進展燃燒；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生的工作壓強，以保證推動劑正常燃燒(工作)。FAId航天模型》有關模型火箭發(fā)動機的標準規(guī)定，發(fā)動機殼體只能用低熱傳導率的非金屬材料制造；殼體外外表的溫度在發(fā)動機工作過程中或200C內部超壓狀況下不會裂開。因此，

圖5.2 典型的模型火箭發(fā)動機殼體通常承受強度較高的牛皮紙經多層卷制而成；對于高總沖的模型火箭發(fā)動機，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、喉部和擴張段3局部組成，是發(fā)動機的能量轉換裝置，它把推動劑燃燒生成的燃氣的熱能，轉變?yōu)橥苿踊鸺斑M的動能。因此，噴管的作用有兩個：其一，使發(fā)動機內部有肯定的壓強，保證推動劑正常燃燒；其二，將推動劑燃燒生成的燃氣，在流經噴管時不斷加速，最終以高速從噴管出口面排出，產生推動火箭前進的反作用力——推力。噴管應承受耐燒蝕材料制造，通常承受陶土經特別工藝制成。(三)推動劑模型火箭發(fā)動機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物質。它自身包含燃料和氧化劑，燃燒時不需要外界供給氧氣。通常將推動劑制成密實的藥柱，置于殼體中，位于噴管之前。推動劑藥柱的外形通常為內孔燃燒藥柱，調整藥柱的內孔大小和深淺，可以獲得所需要的推力-時間曲線。推動劑的用量，依據(jù)發(fā)動機類別〔型號〕規(guī)定的總沖和推動劑的比沖進展計算：M I (5.1)p Is式中，Mp為推動劑質量；I為發(fā)動機的總沖；IS為推動劑的比沖。(四)延時(發(fā)煙)劑延時(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，使火箭有時間利用慣性連續(xù)爬升，以到達最大高度。延時劑一般也制成藥柱，置于推動劑藥柱后邊，當推動劑燃燒完畢時，即引燃延時劑。延時劑的用量可依據(jù)火箭慣性飛行距離和延時劑的性能參數(shù)進展計算：M r 2hA

-----------------------(5.2)d d g c d式中，M，為延時發(fā)煙劑質量；hr

為延時劑的燃速；d dAc為殼體內橫截面積；d為延時劑密度，g為重力加速度。(五)彈射(開傘)劑彈射(開傘)延時劑燃盡，隨即引燃彈射劑，彈射劑瞬即產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，可以通過試驗確定。(六)堵蓋堵蓋一般也承受陶土制造，用于封堵發(fā)動機殼體，貯存時起到密封和防潮的(七)點火裝置模型火箭發(fā)動機使用的點火裝置，實際上是一個電點火頭(圖5.3)，由導線、橋絲、熱敏藥組成。電點火頭通常經過噴管插入推動劑藥柱內孔中。

圖5.3 電點火頭三、工作原理簡介模型火箭發(fā)動機的工作原理，與一般的化學火箭發(fā)動機一樣，利用其自身攜帶的推動劑，在殼體內燃燒，生成高溫、高壓的燃氣，流經噴管后，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，直接產生反作用的推力。有關火箭發(fā)動機推力的推導過程，有興趣的讀者可以參看其次章第四節(jié)。四、發(fā)動機工作過程及其對應的火箭飛行階段模型火箭發(fā)動機的工作過程及其對應的火箭飛行階段可以分為3個連續(xù)過程(5.4)。(一)點火和推動劑燃燒過程(發(fā)動機工作過程)/火箭主動飛行階段接通電點火頭的電源，其上的熱敏藥被點燃，從而引燃推動劑藥柱，使推動劑燃燒，產生高溫、高壓燃氣，通過噴管不斷加速，以極高速度從噴管出口面排出，產生反作用的推力，推動模型火箭不斷上升?；鸺诎l(fā)動機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劑，延時劑燃燒產生煙霧，指示火箭慣性飛行軌跡。當延時劑開頭燃燒時，火箭利用主動段得到的速度進展慣性飛行；當火箭到達頂點時，延時劑正好燃燒完畢。準確的延時劑用量，應使其燃燒時間貫穿于整個火箭的慣性飛行階段。需要說明一下，市場銷售的標準模型火箭發(fā)動機的延時時間，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時延時劑正好燃燒完畢。對于參賽用的模型火箭，應當依據(jù)選用的模型火箭發(fā)動機型號來設計，以使其質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劑燃燒完畢，馬上引燃彈射劑，彈射劑瞬即燃燒，產生大量膨脹氣體，從而沖破堵蓋，將回收裝置連同頭錐推出箭體筒段。這時火箭處于自由飛行階段，亦即留空和回收階段。留空時間的長短，取決于降落傘出筒速度、開傘速度、傘的面積和火箭降落時的大氣環(huán)境。第三節(jié)模型火箭發(fā)動機分類模型火箭發(fā)動機是依據(jù)總沖大小進展分類的。依據(jù)《FAI運動規(guī)章，4d局部，航天模型》的規(guī)定，發(fā)動機依據(jù)總沖分為６類〔5.1〕。5.1中，A型發(fā)動機，國內還細分為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?！っ?。市面供給的模型火箭發(fā)動機，在殼體上都標有發(fā)動機的類別和性能參數(shù)，例如，四凱模型火箭公司生產的A型發(fā)動機，在殼體上標明“A6-3”，表示該發(fā)動表5.1 模型火箭發(fā)動機分類表發(fā)動機類別(型號)ABCDEF總表5.1 模型火箭發(fā)動機分類表發(fā)動機類別(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)動機的工作時間(即推動劑的燃燒時間)為2.5牛·秒/6牛0.42秒。四凱模型火箭公司生產的A、BC型發(fā)動機的標準外形尺寸為1870毫米(直徑長度)。第四節(jié)發(fā)動機的使用和留意事項模型火箭發(fā)動機屬于火工品范疇，《FAI運動規(guī)章，4d局部，航天模型》對其作了具體規(guī)定。使用時必需留意安全，嚴格依據(jù)說明書進展操作。一、留意事項模型火箭發(fā)動機在貯存和使用過程中應留意以下事項：購進的發(fā)動機和點火頭應原封不動地存放在避光的陰涼枯燥處，遠離火源和電源。在臨使用前開啟發(fā)動機及電點火頭的包封，對未使用的發(fā)動機和電點火頭仍舊放進包裝內，電點火頭應以軟紙包裹好。嚴禁解剖發(fā)動機和將其投入火中。12歲以下兒童必需在成人指導下使用發(fā)動機。二、發(fā)動機和電點火頭的安裝和使用為了協(xié)作發(fā)動機的點火，請購置模型火箭發(fā)動機生產廠配套生產的點火掌握器，以確保安全。發(fā)動機的安裝和使用程序如下：將電點火頭通過發(fā)動機的噴管孔插入推動劑藥柱孔內(點火頭必需接觸到藥柱)。用小棉