看了看整个论坛的帖子，似乎很少有理论方面的帖子，很多人也只是抱着玩玩的心态做火箭，又是就是这样经常出些安全事故。还有很多人抱怨书中写得太复杂看起来费劲，这里我就简单的说说设计一台火箭发动机需要的一些理论吧，如果需要更详细的可以直接看相关的专业书籍，在这里我也不会多说。


本来这篇文章应该是几个月前发布了，不过由于考试的问题稍微晚了一些请大家原谅。




先来说说喷管：


喷管就是把高温燃气的内能转化为高速燃气的动能，也就是整个发动机最关键的部件。


这里介绍常用的拉瓦尔喷管



拉瓦尔喷管分为三个部分，分别是：收敛段，喉部，扩张段。
这三段的速度分别为亚音速，跨音速，超音速。因为在亚音速情况下气流是截面积越小速度越快，这时内能转换为动能，而在超音速情况下却恰恰相反。
拉瓦尔喷管也是常用的超音速喷管。




在这里单独讲一讲音速的定义，如果不知道音速的定义也就没法进行下一步的推导。
音速：压力波的传递速度，不是一个定值(常说的340m/s指的是15摄氏度的情况下空气中的音速）。
既然是压力波的传递速度，那么气体的流动速度或者枪管内子弹的速度（二级轻气炮和电热炮速度快的原因）也就不会超过音速。


音速的计算可以使用当地音速的公式完成。从公式可以知道，要提高当地音速可以从提高温度，降低分子量，提高比热比。
提升温度常用的办法就是加铝，同时铝还能消耗燃气中水蒸气和二氧化碳中的氧，从而降低分子量。


降低分子量常用的办法：降低氧化剂含量，使燃料无法完全燃烧产生低分子量的一氧化碳和氢气。
对于液体燃料还多了一个就是使用含氢量较大的燃料，比如甲烷，液氢。


这里还要谈谈比热比的定义：
比热比：定压比热/定容比热
定压比热：在外界压力不变的情况下将一定质量的物体提升一定温度所需要的能量。（由于气体会受热膨胀所以其中一部分能量会对外做功）


定容比热：在容器容量不变的情况下将一定质量的物体提升一定温度所需要的能量。（由于气体无法膨胀所以能量不会对外做功）

通过比热比就可以知道燃气对外做功的性能如何。（由于固体受热后无法膨胀，所以固体的比热比是1）
提高比热比常用的办法就是降低固体的含量，比如用高氯酸铵代替硝酸钾。
大部分固体燃料的燃气的比热比在1.1-1.2之间，液体有的能够达到1.4（比如单组元过氧化氢分解），而氧化铝是固体比热比是1，这也就说明了铝的含量不能过大，虽然铝能够提升温度，但是同时也会降低比热比，铝含量过大也会造成比冲下降。








下面讲讲喷管喉部面积如何确定。这个可以说直接关系到工作压力和推力大小。


推导整个公式的基本理论就是理想气体状态方程和当地音速方程。
关于理想气体状态方程我就不解释了，不懂的自己查资料。




推导整个公式的思想就是使得气体流动的速度等于当地音速。










通过这几步的简单变换就能得到最终公式，之后直接用这个公式计算就比用当地音速计算简单多了。
这里单独说一下这里的燃气由于经过了收敛段内能有一部分转化为动能所以温度比理论燃烧温度低一些。






经过了喉部可以得到以音速流动的燃气，经过扩张段使得压力减小，温度降低同时提高了速度。


计算扩张段的出口马赫数
atm（我习惯叫奥特曼）是大气压。
c是指燃烧室。




计算出口面积




通过扩张段的计算公式就能知道为什么燃烧室压力越高比冲越高，就是因为扩张段可以使得其他膨胀的程度更大一些，从而排气速度更快。