【基本原理讲解】关于喷管特性的说明
猎鹰2015/02/10喷气推进 IP:四川
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。XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/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。
暴风截图20121231288953.jpg 暴风截图201212342300875.jpg







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。
C{`EQ%MNR3N}T33%}Y}LCCT.jpg









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。

({${14C08F@439H6N1C]O$9.jpg


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。
暴风截图201311232681515.jpg

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。
暴风截图201311232801218_副本_副本_副本.jpg



如果有人觉得这个压力太低可以参考卫星的发动机
屏幕快照 2015-02-10 上午12.00.40.png

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
7BCA29FC99B16022F574D218F284EB6C.jpg


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。
来自:航空航天 / 喷气推进严肃内容:专著/论述
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~~空空如也
猎鹰 作者
9年11个月前 IP:四川
746569
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。
c20c20a4462309f71e0ab82f700e0cf3d7cad668.jpg.png
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
746595
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。
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
746703
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?)

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attachment icon KNSU.txt 2.19KB TXT 115次下载
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
746733
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。
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
746739
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?

屏幕快照 2015-02-10 下午6.13.49.png
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
746749
引用 魅影封喉:
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
屏幕快照 2015-02-10 下午6.28.52.png
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
746753
引用 魅影封喉:
在细我也就不清楚了。。总之,冻结是平衡的一种特殊情况,所有的冻结公式都是将平衡公的偏导数部分默认为0而得到的
谢谢科普,我之前只考虑过这一种状态只知道这一种音速的算法
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
747106
引用 mark42:
鹰楼主能和我讲解一下本帖第一张图里的内容吗?就是比冲的计算以及如何将340m/s带入计算得出34.7s的结果吗?
在高中物理当中f=ma,a=v/t。然后代入就能得到f=mv/t,然后变换一下就得出ft/m=v,再根据比冲的定义:单位质量推进剂产生的冲量,可以发现,比冲的本质就是排气速度。
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
747119
引用 mark42:
那为啥单位是s蛤?
因为G=mg,有时代入的不是质量而是重量,这时单位变成了秒。
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猎鹰作者
9年11个月前 IP:四川
747169
引用 mark42:
还是不大明白,能再详细点么
具体哪里没懂?
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猎鹰作者
9年4个月前 IP:四川
788300
引用 X_02_wyvern:
我去查了一下 祝融星-大力神
发现它是能源号改版
这张图片是RD-170 (用于能源号运载火箭)

这个形状不是拉喷吗?
百科上搜的不知道准不准
就是拉喷啊!~
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