喷气推进
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【基本原理讲解】关于喷管特性的说明
猎鹰 2015-2-10 00:01:40
呼叫当事人:@h13  @liushang100

在这篇帖子中,一群人针对拉喷的设计提出了一些不同的观点,但是都只是定性的,没做到定量分析。https://www.kechuang.org/t/69738


对于性能的分析居然用马赫环这样不靠谱方案,引用某人的:在真正工业化的固体发动机中,马赫环完全被视为副产物,而且是极力避免羽流中的二次燃烧(火焰,没有火焰就没有马赫环)等加强特征性号的因素,而且做了大量的研究工作。只有业余圈才论这个,因为很炫,看上去高大上吧,虽然没意义“  实际上马赫环就只是一种激波现象,与比冲性能无关,不然书上也不会提及这玩意,马赫环看不看得见很大的因素是燃料本身的性质和相机的好坏。可以看看下面的两张图,其实是同一张,只不过相机不一样。
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关于喷管的一些特性我做了如下分析(本人只是才疏学浅的高中生,如果有什么不正确的请提出,不要人格侮辱)
由于时间比较紧,不能像之前写论文那样使用公式编辑器,直接发手稿,请谅解。


第一部分是关于产生推力的,这个牛顿第二定律和书上有些不一样,实际上这才是真正的牛二,书上是为了方便理解做了一些改动。
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这一篇首先否认了排气不能超音速这个问题,实际上几乎所有排气做功的热机都能超音速,比如钻天猴。






这里引出了当地音速这个概念,纠正了音速是340m/s这个错误的观点。
这里算出了喉部的真正音速。
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这里对拉喷进行了一些说明。
引用百度:分析一下拉瓦尔喷管的原理。火箭发动机中的燃气流在燃烧室压力作用下,经过喷管向后运动,进入喷管的A1。在这一阶段,燃气运动遵循"流体在管中运动时,截面小处流速大,截面大处流速小"的原理,因此气流不断加速。当到达窄喉时,流速已经超过了音速。而跨音速的流体在运动时却不再遵循"截面小处流速大,截面大处流速小"的原理,而是恰恰相反,截面越大,流速越快。在A2,燃气流的速度被进一步加速,为2-3公里/秒,相当于音速的7-8倍,这样就产生了巨大的推力。拉瓦尔喷管实际上起到了一个"流速增大器"的作用。其实,不仅仅是火箭发动机,导弹的喷管也是这样的喇叭形状的,所以拉瓦尔喷管在武器上有着非常广泛的应用。

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通过计算实际上会发现只需很低的压强就能将喉部的气体加速到音速。所有之前所说的2.8MPa差一点出马赫环,差一点音速,拿完全是错误的。

比如这张图我当时只开了不到2MPa。
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由于相机不好看不清,那么我就调一下色,这下马赫环就清楚了。其实在现场是非常清楚的。
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如果有人觉得这个压力太低可以参考卫星的发动机
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根据比冲你们可以算算等效排气速度。

关于那篇帖子里面提到的比冲与扩张比问题
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在公式中可以发现,扩张比并不是越大越好,当扩张比大了后会使得出口压力非常低,这样外界大气会对喷管有一个力的作用,使得比冲更低。

这时还会有人问在真空中是不是扩张比可以无穷大呢,实际上是不可能的,因为当气体温度过低,会液化,这时便不能膨胀了。
+1  学术分    虎哥   2015-02-10   看见公式就觉得亲切。
2015-2-10 00:29:44
1楼
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我去,用不到发帖吧……
2楼
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把第二张的相机放进点,降低亮度应该可以
额,我记得似乎有一本物理教材上似乎说过在锅炉的鼓风机也是拉喷,为的是增加出气速度,使空气充分混合
3楼
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突然明白楼主在我的一个帖子里的回答
我有一个问题,既然那么低的内压就可达到音速,那为什么大家的却没超?只是因为没拉喷么?
那扩张比是要把出气时压力等于大气压就能最大的提高比冲?
我记得有一本书里讲了可以通过尾焰形状判断是欠扩张还是过扩张,那有计算这个的方法或程序么?
那为何楼主的不到2MPA就能轻易超音速,那我的2.8却很难呢(尽管中间有一两祯超了),这有是为什么,是喷管结构还是什么?
4楼
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比冲不应该和排气速度有关吗?
5楼
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引用 h13:
比冲不应该和排气速度有关吗?
比冲是单位质量燃料的总冲,总冲是推力对工作时间的积分



推力与排气速度和质量流率有关
6楼
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引用 h13:
突然明白楼主在我的一个帖子里的回答
我有一个问题,既然那么低的内压就可达到音速,那为什么大家的却没超?只是因为没拉喷么?
那扩张比是要把出气时压力等于大气压就能最大的提高比冲?
我记得有一本书里讲了可以通过尾焰形状判断是欠扩张还是过扩张,那...
燃气在火箭肚子里面很难超(燃气的)音速,如果超了就是激波了,就是炸药了,就有粉碎作用了(咱当年是搞炸药的,只会这套说辞)。
但是燃气被喷管扩张以后就很容易超音速,超音速气流轰击到自由空间中不会产生什么不良后果,如果有不良后果的话,就是马赫环[s::lol]
猎鹰(作者)
7楼
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引用 h13:
突然明白楼主在我的一个帖子里的回答
我有一个问题,既然那么低的内压就可达到音速,那为什么大家的却没超?只是因为没拉喷么?
那扩张比是要把出气时压力等于大气压就能最大的提高比冲?
我记得有一本书里讲了可以通过尾焰形状判断是欠扩张还是过扩张,那...
你如何判断有没有超音速,马赫环绝对是不靠谱的。
这是最强的煤油火箭,等效排气速度超过3000m/s,你敢说没有超音速?
马赫环=超音速这个错误的观点在现在必须得纠正。
再告诉你,我的那个喷管是直喷,不是拉喷。
通过你提出的第一个问题我知道你没有看明白第一张纸。
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8楼
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引用 liushang100:
比冲是单位质量燃料的总冲,总冲是推力对工作时间的积分



推力与排气速度和质量流率有关
更准确的来说,  比冲是燃料的单位质量流速(kg/s)所获得的推力(N)大小
9楼
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其实 拉瓦尔喷管  最初使用在蒸汽机车上的,然后被火箭之父(不记得了  0.0  )引用到了火箭发动机上,热效率从2%提升到了69%,是里程碑似的突破!!
(中国古代就有喷管,不过那是直喷...)
10楼
0
还要纠正一个普遍的观点——比冲是燃料能量性能的根本量度(大概就是这个意思...)

从LZ的的公式就可以看出,比冲还跟发动机的(不知道怎么表达,就叫做)效率(吧)有关, 其实燃料能量性能的根本量度应该是  特征速度C*,只与燃料的自身性质有关
11楼
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谢谢猎鹰兄精彩的分析,我有一个疑问,火箭燃料的焓和比冲有什么关系。为什么现代固体火箭燃料都会往燃料里面加金属增大燃料的焓值。
猎鹰(作者)
12楼
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引用 smith:
谢谢猎鹰兄精彩的分析,我有一个疑问,火箭燃料的焓和比冲有什么关系。为什么现代固体火箭燃料都会往燃料里面加金属增大燃料的焓值。
焓决定了温度,而温度越高,当地音速也越高,这样有更高的排气速度。
13楼
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引用 FROZEN巨擘:
更准确的来说,  比冲是燃料的单位质量流速(kg/s)所获得的推力(N)大小
我记得是Ns/N
14楼
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引用 虎哥:
燃气在火箭肚子里面很难超(燃气的)音速,如果超了就是激波了,就是炸药了,就有粉碎作用了(咱当年是搞炸药的,只会这套说辞)。
但是燃气被喷管扩张以后就很容易超音速,超音速气流轰击外面的空气不会产生什么不良后果,如果有不良后果的话,就是马赫环
好吧,谢谢
15楼
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引用 猎鹰:
你如何判断有没有超音速,马赫环绝对是不靠谱的。
这是最强的煤油火箭,等效排气速度超过3000m/s,你敢说没有超音速?
马赫环=超音速这个错误的观点在现在必须得纠正。
再告诉你,我的那个喷管是直喷,不是拉喷。
通过你提出的第一个问题...
好吧,谢谢
那就是拉喷是有用的吧(猫灵的说法是正确的吧)






还是觉得没必要专门发贴……
16楼
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引用 FROZEN巨擘:
更准确的来说,  比冲是燃料的单位质量流速(kg/s)所获得的推力(N)大小
@h13:比冲现在通用Ns/kg,Ns/N(或叫秒)是比较传统的叫法,
17楼
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“火箭发动机,导弹的喷管也是这样的喇叭形状的”   ....导弹用的不也是火箭发动机吗.....
18楼
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引用 虎哥:
燃气在火箭肚子里面很难超(燃气的)音速,如果超了就是激波了,就是炸药了,就有粉碎作用了(咱当年是搞炸药的,只会这套说辞)。
但是燃气被喷管扩张以后就很容易超音速,超音速气流轰击外面的空气不会产生什么不良后果,如果有不良后果的话,就是马赫环
拉喷内部压强那么大炸了会咋样?我以前用水泥糊了一个,2cm的KNSU就裂了,不敢上3cm的燃料
19楼
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你这是平衡声速还是冻结声速?
比热比是平衡比热还是冻结比热?
KNSU的种种数据又是从何而来?(我用CEA都算不出KNSU的数据,您这数据怎么搞到的?)
20楼
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引用 魅影封喉:
你这是平衡声速还是冻结声速?
比热比是平衡比热还是冻结比热?
KNSU的种种数据又是从何而来?(我用CEA都算不出KNSU的数据,您这数据怎么搞到的?)
刚接触火箭,问题如果太奇怪,勿喷。
猎鹰(作者)
21楼
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引用 魅影封喉:
你这是平衡声速还是冻结声速?
比热比是平衡比热还是冻结比热?
KNSU的种种数据又是从何而来?(我用CEA都算不出KNSU的数据,您这数据怎么搞到的?)
KNSU_2MPa.txt3.00k7次



KNSU.txt3.00k8次
22楼
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刚才那贴我就不管了啊。。我就在这里说了。。
你这给出的是GUIPR的计算数据吧?国外nakka的那个软件。。
这里面的算比热比,是用的两个(I1-I2)/(T1-T2)这个公式,这个算出来是近似值。。
23楼
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然后就是这个软件的热力学数据库值得怀疑啊。。CEA和NIST是官方数据库,都找不到蔗糖的数据,他的数据又是哪来的?(我估计是经验公式拟合的可能性很大啊。。)
猎鹰(作者)
24楼
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引用 魅影封喉:
然后就是这个软件的热力学数据库值得怀疑啊。。CEA和NIST是官方数据库,都找不到蔗糖的数据,他的数据又是哪来的?(我估计是经验公式拟合的可能性很大啊。。)
这个表是guipep的,数据是之前别人算的,软件我打不开。之前用过一个叫propep的,里面好像有糖,但是那个软件的表绝对是错的,而且比冲计算公式也是错的,居然还出现过燃烧室压力越低比冲越高。不过这个本来就是粗略计算,knsu的数据差距不算大,在可接受范围内。
25楼
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引用 猎鹰:
这个表是guipep的,数据是之前别人算的,软件我打不开。之前用过一个叫propep的,里面好像有糖,但是那个软件的表绝对是错的,而且比冲计算公式也是错的,居然还出现过燃烧室压力越低比冲越高。不过这个本来就是粗略计算,knsu的数据差距不算...
也是也是。。不过你这声速算的我还是一头雾水的。。
不过我看到的声速计算公式严格区分了冻结与平衡,你这个全部没有提到啊。。
猎鹰(作者)
26楼
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引用 魅影封喉:
也是也是。。不过你这声速算的我还是一头雾水的。。
不过我看到的声速计算公式严格区分了冻结与平衡,你这个全部没有提到啊。。


其实你所说的冻结与平衡我也不是非常了解,能不能稍微科普一下?

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27楼
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引用 猎鹰:
其实你所说的冻结与平衡我也不是非常了解,能不能稍微科普一下?
不用我科普了,就是这个滞止状态(Frozen State)翻译的不同罢了。你翻翻这资料前后,应该还有平衡状态。。喷管设计里比较重要的就是冻结与平衡的选择,这两个选的不同,后边的算法就完全不一样了
28楼
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引用 猎鹰:
其实你所说的冻结与平衡我也不是非常了解,能不能稍微科普一下?
比如我选了冻结喷管,那么假定压强下迭代出绝热温度后,就可以直接利用平衡组分的等熵关系进行计算了,如果未收敛,那么只修正等熵流动过程的公式然后再算,直到收敛。而平衡喷管的话,第一次不收敛,第二次就要使用等熵流动公式的两个试算温度再迭代一次产物,修正总焓与总熵,直到收敛
29楼
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引用 猎鹰:
其实你所说的冻结与平衡我也不是非常了解,能不能稍微科普一下?
冻结是参数不足,或者计算能力有限的时候选的。。你去找找平衡声速的公式,比这复杂多了(一般平衡喷管参数是更精确的。。)

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