航空航天概論

第六章航空器推進裝置2參觀日期：2013.12.14班車發(fā)車時間：9：00參觀時間：9：30-11：00班車返回時間：11：153主要內(nèi)容6.1推進裝置分類和特點6.2活塞式發(fā)動機6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.4沖壓/脈動發(fā)動機6.5火箭發(fā)動機46.1推進裝置分類和特點為飛行器提供動力，推動飛行器前進的裝置稱為動力系統(tǒng)。它包括發(fā)動機和保證發(fā)動機正常工作的輔助系統(tǒng)。可以簡稱為發(fā)動機。發(fā)動機是飛行器的動力源，它的性能對飛行器的性能有極重要的影響。故而被人們稱為飛行器的心臟。航空發(fā)動機是將航空燃料中所含的化學(xué)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋⒃俎D(zhuǎn)化成機械能的熱力機械。5

發(fā)動機

推進劑或燃料系統(tǒng)

保證發(fā)動機正常工作的其他附屬系統(tǒng)66.1推進裝置分類和特點航空發(fā)動機的性能對飛機的性能影響很大。評定航空發(fā)動機品質(zhì)的主要指標(biāo)有：性能參數(shù)-----推重比、耗油率等可靠性耐久性

……76.1推進裝置分類和特點參照教材P142-P14386.1推進裝置分類和特點飛行器推進系統(tǒng)吸氣式發(fā)動機火箭噴氣式發(fā)動機活塞式發(fā)動機燃?xì)鉁u輪發(fā)動機沖壓噴氣式發(fā)動機脈動噴氣式發(fā)動機參照教材P142-P14396.1推進裝置分類和特點飛行器推進系統(tǒng)直接反作用推進系統(tǒng)間接反作用推進系統(tǒng)火箭發(fā)動機組合發(fā)動機沖壓發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪風(fēng)扇發(fā)動機活塞式發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機活塞式航空發(fā)動機一般以汽油為燃料，帶動螺旋槳，由螺旋槳產(chǎn)生推（拉）力為飛機提供動力。所以，作為飛機的動力裝置時，發(fā)動機與螺旋槳是不能分割的。6.2活塞式發(fā)動機活塞式航空發(fā)動機的主要構(gòu)件氣缸活塞連桿曲軸進、排氣活門6.2活塞式發(fā)動機活塞式航空發(fā)動機的工作原理絕大多數(shù)活塞式航空發(fā)動機的工作循環(huán)是由四個沖程組成的，稱為四沖程發(fā)動機。即活塞在氣缸內(nèi)要經(jīng)過四個沖程，依次是進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。進氣壓縮膨脹排氣6.2活塞式發(fā)動機活塞沖程當(dāng)活塞在氣缸中移動時，它相對曲軸有兩個極限位置：活塞離曲軸中心最遠(yuǎn)的位置稱為上死點，活塞離曲軸中心最近的位置稱為下死點。上死點和下死點之間的距離稱為活塞沖程。6.2活塞式發(fā)動機活塞式航空發(fā)動機的工作原理6.2活塞式發(fā)動機進氣沖程壓縮沖程燃燒沖程排氣沖程活塞式航空發(fā)動機的工作原理示意圖6.2活塞式發(fā)動機活塞式發(fā)動機的氣缸排列方式為滿足功率要求并使發(fā)動機工作平穩(wěn)，活塞式航空發(fā)動機一般都是多氣缸組合構(gòu)成的。依照氣缸排列方式不同，可分為：直立型、V型、對立型、X型、星型等。6.2活塞式發(fā)動機活塞式發(fā)動機的氣缸排列方式V型和對立型6.2活塞式發(fā)動機活塞式發(fā)動機的輔助系統(tǒng)

進氣系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)

點火系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)

啟動系統(tǒng)

定時系統(tǒng)6.2活塞式發(fā)動機航空活塞式發(fā)動機主要性能參數(shù)發(fā)動機功率

發(fā)動機可用于驅(qū)動螺旋槳的功率稱為有效功率。燃料消耗率 衡量發(fā)動機經(jīng)濟性的一項指標(biāo)，以每千瓦功率在1小時所消耗的燃料質(zhì)量表示，單位為kg/(kW·h)加速性 發(fā)動機從最小轉(zhuǎn)速到最大轉(zhuǎn)速所需的時間，愈短愈好。良好的加速性可提高飛機機動性能。

良好的維護性、高可靠性、長壽命、小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和迎風(fēng)面積。6.2活塞式發(fā)動機航空活塞式發(fā)動機主要性能參數(shù)

從第一架飛機上天到二戰(zhàn)結(jié)束，活塞式發(fā)動機獲得了飛速發(fā)展：

單機功率：十幾千瓦提高到1800~3500千瓦

功率重量比由0.12千瓦/千克提高到1.85千瓦/千克

燃油消耗率由0.46千克/千瓦時降至0.26千克/千瓦時6.2活塞式發(fā)動機活塞式發(fā)動機的優(yōu)點經(jīng)濟性較好：不但耗油率低，而且單位功率的售價低；燃燒較完全，所以對環(huán)境的污染相對較小；噪音較小。目前，活塞式航空發(fā)動機仍廣泛地應(yīng)用于小型低速飛機。6.2活塞式發(fā)動機小鷹-500旅行者活塞式發(fā)動機的應(yīng)用6.2活塞式發(fā)動機活塞式發(fā)動機的缺點發(fā)動機功率小；重量大；外形阻力大；螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時效率低。6.2活塞式發(fā)動機航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機有四種基本類型，即渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。在這些發(fā)動機中都有壓氣機、燃燒室和燃?xì)鉁u輪，因此統(tǒng)稱為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機。246.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機仍屬于熱機的一種，因此從產(chǎn)生輸出能量的原理上講，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機和活塞式發(fā)動機是相同的，都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段。256.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中，進入發(fā)動機的空氣經(jīng)壓氣機壓縮后，流入燃燒室與噴入的燃油混合后燃燒，形成高溫、高壓的燃?xì)猓龠M入燃?xì)鉁u輪中膨脹作功，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)并輸出功率。266.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機276.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機的性能參數(shù)

推力

單位推力

推重比

單位耗油率

單位迎風(fēng)面積推力

噪聲和排氣污染296.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器由壓氣機、燃燒室和燃?xì)鉁u輪組成。燃?xì)獍l(fā)生器用于提供高壓、高溫的燃?xì)狻Ｈ細(xì)獍l(fā)生器又稱發(fā)動機的核心機。燃?xì)鉁u輪燃燒室壓氣機6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機壓氣機的功用依靠其高速旋轉(zhuǎn)的工作葉輪對空氣作功，提高空氣的壓力和溫度，供給發(fā)動機工作時所需要的壓縮空氣。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃燒室的功用將燃料中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，燃料在燃燒過程中所釋放的熱量使流過燃燒室的空氣的溫度提高。即在燃燒室中，從壓氣機流入的壓縮空氣與噴嘴噴出的燃油混合燃燒，使燃?xì)馀蛎浖铀伲驕u輪提供具有一定溫度場的燃?xì)饬鳌?.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃燒室工作原理6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃?xì)鉁u輪的功用

燃?xì)鉁u輪在高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟赂咚傩D(zhuǎn)，將燃?xì)庵械牟糠譄崮芎蛪毫δ苻D(zhuǎn)換成機械功，帶動壓氣機和附件工作。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機進氣道進氣道的主要作用：

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)動機所需的空氣量；

降低高速氣流的速度，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫菽堋８鶕?jù)飛機的飛行速度的不同，進氣道可分為：亞音速進氣道超音速進氣道6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機殲-5亞音速進氣道米格-156.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機超音速進氣道F-16殲-76.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機發(fā)動機進氣道在機身上的位置

機頭進氣

背部進氣

機身兩側(cè)機翼下

腹部進氣

6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃?xì)鉁u輪發(fā)動機根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器后面有無“動力渦輪”以及動力渦輪所驅(qū)動的部件不同，分為四種類型。所謂動力渦輪是指位于燃?xì)獍l(fā)生器后面的一個傳動其他部件的渦輪，從燃?xì)獍l(fā)生器出來的燃?xì)饬魅脒@個渦輪中繼續(xù)膨脹作功。在大多數(shù)發(fā)動機中，動力渦輪與燃?xì)鉁u輪沒有機械連系，各自工作于不同的轉(zhuǎn)速，所以動力渦輪也稱為自由渦輪。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機渦輪風(fēng)扇發(fā)動機6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機的燃?xì)獍l(fā)生器后面直接布置了一個尾噴管，燃?xì)庖愿咚儆蓢姽芘懦觯a(chǎn)生推力。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.1渦輪噴氣發(fā)動機由于渦輪噴氣發(fā)動機的推力是由高速排出高溫燃?xì)馑@得的，所以在得到推力的同時有不少由燃料燃燒所產(chǎn)生的能量以燃?xì)獾膭幽芎蜔崮艿男问脚懦霭l(fā)動機，能量損失較大，因此其耗油率較高。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.1渦輪噴氣發(fā)動機為了短期內(nèi)提高渦輪噴氣發(fā)動機的推力，可在尾噴管前加裝加力燃燒室。在需要增加推力時，向燃?xì)庵醒a充噴入燃油進一步燃燒，提高燃?xì)獾乃俣龋_到增加推力的目的。在加力時，由于排出的燃?xì)鉁囟群退俣染蟠筇岣撸蚨芰繐p失更大，所以耗油率比非加力時將成倍增加。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.1渦輪噴氣發(fā)動機Su-25渦噴發(fā)動機的應(yīng)用6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.1渦輪噴氣發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機的燃?xì)饽芰拷^大部分在動力渦輪中膨脹做功，動力渦輪通過減速裝置降低轉(zhuǎn)速后再驅(qū)動螺旋槳，燃?xì)庵惺Ｏ碌暮苌俨糠帜芰吭谖矅姽苤信蛎洠a(chǎn)生一小部分推力。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.2渦輪螺旋槳發(fā)動機6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.2渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機由于有直徑較大的螺旋槳，所以飛行速度受到限制，一般用于M=0.5～0.7的飛機上。運－7運－8特點：動力渦輪通過減速器帶動螺旋槳。起飛功率大，油耗低，續(xù)航能力強，多用于低亞音速運輸機，轟炸機，目前短程客機也主要采用這種發(fā)動機。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.2渦輪螺旋槳發(fā)動機渦輪軸發(fā)動機是直升機的主要動力，其工作原理和結(jié)構(gòu)基本與渦輪螺旋槳發(fā)動機相同。不同的是其燃?xì)獍l(fā)生器排出的燃?xì)饽芰繋缀跞吭趧恿u輪中膨脹，由噴管排出時，氣流速度很低；另外，其輸出軸轉(zhuǎn)速較高，有的渦輪軸發(fā)動機由動力渦輪直接輸出軸功率，有的則裝有減速較小的減速器。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.3渦輪軸發(fā)動機直－11米－28AH－646.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.3渦輪軸發(fā)動機渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的動力渦輪的傳動軸驅(qū)動的是外徑比燃?xì)獍l(fā)生器大的1級或幾級稱為風(fēng)扇的葉片。流入發(fā)動機的空氣在風(fēng)扇中增壓后，一部分經(jīng)燃?xì)獍l(fā)生器中流過，稱為內(nèi)涵氣流；另一部分經(jīng)圍繞燃?xì)獍l(fā)生器外殼的外環(huán)中流過，稱為外涵氣流。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機渦輪風(fēng)扇發(fā)動機推力由內(nèi)、外涵道氣流分別產(chǎn)生的推力組成。外涵與內(nèi)涵空氣流量的比值稱為涵道比。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機渦輪風(fēng)扇發(fā)動機具有耗油率低、起飛推力大、推重比高、噪音低的優(yōu)點。因此，目前高函道比、大推力的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機廣泛應(yīng)用于大型運輸機上。Boeing737A3196.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機此外，加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機由于具有低速時油耗較低，開加力時推重比大的特點，適合于高超音速的戰(zhàn)斗機、轟炸機。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機F－22（猛禽）FC－1（超7）FBC－1（飛豹）6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機可轉(zhuǎn)噴口的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通常用于垂直起降飛機，由于其噴口可轉(zhuǎn)向垂直于地面的方向提供沿垂直方向的推力，同時還需利用機頭、機尾、翼尖的噴口來進行姿態(tài)控制。例如英國的鷂式、俄羅斯的雅克-38、雅克-141、美國的AV-8b和競標(biāo)JSF成功的XF-35都采用了這類發(fā)動機。6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機垂直起降飛機6.3燃?xì)鉁u輪發(fā)動機6.3.4渦輪風(fēng)扇發(fā)動機發(fā)動機在機身上的位置

機身內(nèi)后部

機翼根部

機翼下（多用于旅客機）

機身后部平尾根部

6.3.4渦輪噴氣發(fā)動機脈動式噴氣發(fā)動機特點：簡單、體積小，可以自己啟動，推力忽大忽小，不宜載人，燃油消耗量大。原理：工作時，將活門打開，空氣進入燃燒室與燃料混合燃燒。靠燃?xì)獾膲毫⒒铋T關(guān)閉，以防止燃?xì)獾沽鳌Ｈ細(xì)飧咚購拈L噴管噴出，產(chǎn)生推力。燃?xì)鈬姵龊螅紵铱諝庀”。瑝毫π∮谕饨绱髿鈮海捎趬翰钭饔茫詣哟蜷_活門，空氣再進入燃燒室，循環(huán)工作。6.4沖壓/脈動發(fā)動機沖壓式噴氣發(fā)動機空氣先經(jīng)進氣道擴壓后，速度下降、壓力提高，壓縮后的空氣與噴油咀噴出的燃油混合，在燃燒室內(nèi)進行等壓燃燒，高溫高壓燃?xì)鈴膰姽芨咚賴姵觯a(chǎn)生推力。特點：只有飛行速度很大時才能有效地產(chǎn)生推力；地面放置時，速度為0，不能產(chǎn)生推力；推重比大；簡單。6.4沖壓/脈動發(fā)動機2004年3月27日，M=7

，11月17日，M=9.8火箭發(fā)動機是航天器的發(fā)展基礎(chǔ)！646.5火箭發(fā)動機656.5火箭發(fā)動機福布斯-土壤火星探測器火箭發(fā)動機是我國勞動人民首先創(chuàng)造出來的。早在唐代初年(約在七世紀(jì)）火藥就出現(xiàn)了，南宋時代火藥用來制造煙火，其中包括“起花”。大約在十三世紀(jì)制成火箭。我國古代制造的火箭和起花所用的是黑色火藥。它們的工作原理和現(xiàn)代的固體燃料火箭是一樣的。火箭發(fā)動機的特點是不僅自帶燃燒劑而且自帶氧化劑。燃燒劑和氧化劑統(tǒng)稱為推進劑。由于火箭發(fā)動機的工作不依靠空氣，因此它是大氣層以外飛行和宇宙航行的主要動力裝置。666.5火箭發(fā)動機火箭發(fā)動機的基本參數(shù)6.5火箭發(fā)動機推力：火箭發(fā)動機的推力是作用在發(fā)動機內(nèi)外表面各種力的合力。沖量：發(fā)動機的沖量決定于推力的大小和工作時間的長短。定義為推力對工作時間的積分。比沖：比沖是指火箭發(fā)動機燃燒一千克質(zhì)量推進劑所產(chǎn)生的沖量。一液體火箭發(fā)動機二固體火箭發(fā)動機三電火箭發(fā)動機火箭發(fā)動機的類型三核火箭發(fā)動機6.5火箭發(fā)動機6.5.1液體火箭發(fā)動機按推進劑組元的數(shù)目，可分為單組元、雙組元和三組元液體火箭發(fā)動機。

雙組元液體火箭發(fā)動機的推進劑包括燃燒劑和氧化劑；工作時，專門的輸送系統(tǒng)分別將它們送進燃燒室。所以液體火箭發(fā)動機包括推進劑輸送系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)控制活門、推力室、冷卻系統(tǒng)和固定零部件的發(fā)動機架。6.5火箭發(fā)動機6.5.1液體火箭發(fā)動機液體火箭發(fā)動機的特點發(fā)動機控制系統(tǒng)可對發(fā)動機的工作程序（發(fā)動機起動、工作、關(guān)機）和工作參數(shù)（指推力大小、推進劑的混合比）進行調(diào)節(jié)和控制。這一過程是按預(yù)定程序自動進行的。

液體火箭發(fā)動機的優(yōu)點是比沖高，推力范圍大（單臺推力在1克力～700噸力）、能反復(fù)起動、能控制推力大小、工作時間較長等。液體火箭發(fā)動機主要用作航天器發(fā)射、姿態(tài)修正與控制、軌道轉(zhuǎn)移等。6.5.1液體火箭發(fā)動機6.5火箭發(fā)動機固體火箭發(fā)動機的主要特征之一是推進劑直接充填在燃燒室內(nèi)；推進劑燃燒產(chǎn)生能量，同時燃燒產(chǎn)物又作為工質(zhì)經(jīng)噴管排出產(chǎn)生推力。6.5.2固體火箭發(fā)動機6.5火箭發(fā)動機6.5.2固體火箭發(fā)動機6.5火箭發(fā)動機固體火箭發(fā)動機的特點：固體火箭發(fā)動機與液體火箭發(fā)動機相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，推進劑密度大，推進劑可以儲存和操縱方便可靠等優(yōu)點。缺點是“比沖”小，工作時間短，加速度大導(dǎo)致推力不易控制，重復(fù)起動困難，從而不利于載人飛行。固體火箭發(fā)動機主要用作火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動機，以及航天器發(fā)射和飛機起飛的助推發(fā)動機。

6.5.2固體火箭發(fā)動機6.5火箭發(fā)動機

電火箭發(fā)動機是利用電能加速工質(zhì)，形成高速射流而產(chǎn)生推力的火箭發(fā)動機。與化學(xué)火箭發(fā)動機不同，這種發(fā)動機的能源和工質(zhì)是分開的。電能由飛行器提供，一般由太陽能、核能、化學(xué)能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置得到。工質(zhì)有氫、氮、氬、汞、氨等氣體。

電火箭發(fā)動機由電源、電源交換器、電源調(diào)節(jié)器、工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)和電推力器組成。電源和電源交換器供給電能；電源調(diào)節(jié)器的功