模型火箭发动机相关常识.doc

第五章 模 型 火 箭 发 动 机
第五章 模型火箭发动机
第一节 概 述
模型火箭发动机是推动模型火箭升空的动力装置，是模型火箭的心脏，是组成模型火箭的重要部件。正是因为有了它，才使得模型火箭运动得以发展和推广，并且变得多姿多彩，充满生机和活力；也正是因为有了它，才使得模型火箭的用途更加广泛， 大大丰富了人民的物质和文化生活。
模型火箭发动机实际上就是一种微型固体火箭发动机。由第二章知道，固体火箭发动机是中国发明的，南北宋时期发明的火药火箭与现代的模型火箭发动机，在原理、构造和使用材料方面几乎没有太大区别。但是，我国的模型火箭发动机起步却很晚，由于没有专业厂家生产的安全可靠的模型火箭发动机， 使我国的模型火箭运动推后了整整40年。直到1993年，西安四凯模型火箭公司向市场提供符合国际标准的模型火箭发动机后， 才为我国安全开展模型火箭运动，提供了可靠的物质保障，从而使我国的模型火箭运动步入正轨。
《FAI 运动规则，4d部分，航天模型》对模型火箭发动机的技术规格和安全要求都有严格的规定， 加之使用者并非专业技术人员，且多为青少年，年龄跨度和文化水平相距较大，必须确保操作简单和使用安全。因此，一定要严格控制生产工艺和加工过程，确保生产出符合技术要求，并且安全可靠的模型火箭发动机。模型火箭发动机只能由国家注册的专业生产厂生产制造!
本章将就模型火箭发动机的结构、工作原理、分类（型号）和使用方法等进行介绍，目的在于，使模型火箭运动员和爱好者对发动机有较深刻的了解，以便能正确选择、保存和使用模型火箭发动机。
第二节 模型火箭发动机的结构和工作原理
一、几个基本概念
为了便于叙述， 我们先介绍几个与模型火箭发动机性能有关的技术术语。
(一) 推力T
推力是推动飞行器运动的力，是火箭发动机工作时作用在发动机内、外表面上的各力的合力。模型火箭发动机的推力，是由推进剂燃烧生成的燃气，流经喷管后，以高速喷射出去而产生的反作用力(单位：牛顿)。模型火箭发动机在工作过程中的推力是随时间变化的，如图5.1所示。图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) 总冲I
总冲是对发动机的推力在整个工作时间内的积分，或者说，是发动机的平均推力与工作时间的乘积(单位：牛顿·秒)。图5.1中曲线所包围的面积（阴影部分），代表了模型火箭发动机总冲的大小，它标志着发动机能量的大小。
(三) 工作时间t
工作时间是指发动机的推进剂从点火引燃到燃烧完毕的全部时间(单位：秒)。
(四) 比冲IS
图5.1 推力-时间曲线
比冲是单位质量推进剂所产生的冲量(单位：牛顿·秒/千克， 米/秒)。对于模型火箭发动机来说，其比冲是以发动机的总冲除以所消耗的推进剂质量得到的。比冲是衡量推进剂能量特性的重要参数，也是表征发动机性能的一个重要指标。由第二章知，火箭发动机的比冲等于其有效排气速度，所以，二者具有相同的量纲，即“长度/时间”（单位：米/秒），通常人们总是以“牛顿·秒/千克”表示比冲，这样，物理意义比较明确。
二、模型火箭发动机结构
典型的模型火箭发动机由纸质壳体、陶土喷管、推进剂、延时(发烟)剂、弹射(开伞)剂、堵盖和点火装置组成(图5.2)。对于助推级发动机，或用作多级模型火箭前几级的发动机，与普通发动机相比，只是少了延时剂和弹射剂，因为它们不需要施放示踪烟雾，也没有打开回收装置的要求。
(一)壳体
模型火箭发动机的壳体不仅用来贮存推进剂、延时剂和弹射剂，而且能使它们在其中进行燃烧；此外，还起到固定喷管和堵盖的作用，从而能维持推进剂燃烧所产生的工作压强，以保证推进剂正常燃烧(工作)。
图5.2 典型的模型火箭发动机
根据《FAI 运动规则，4d部分，航天模型》有关模型火箭发动机的标准规定，发动机壳体只能用低热传导率的非金属材料制造；壳体外表面的温度在发动机工作过程中或熄火后都不得超过200°C； 壳体在内部超压情况下不会破裂。因此，壳体通常采用强度较高的牛皮纸经多层卷制而成； 对于高总冲的模型火箭发动机，也可采用纤维增强塑料制造。
(二)喷管
喷管位于壳体尾部，由收敛段、喉部和扩张段3部分组成，是发动机的能量转换装置，它把推进剂燃烧生成的燃气的热能，转变为推进火箭前进的动能。因此，喷管的作用有两个：其一，使发动机内部有一定的压强，保证推进剂正常燃烧；其二，将推进剂燃烧生成的燃气，在流经喷管时不断加速，最后以高速从喷管出口面排出，产生推进火箭前进的反作用力——推力。喷管应采用耐烧蚀材料制造，通常采用陶土经特殊工艺制成。
(三)推进剂
模型火箭发动机使用的推进剂都呈固态，所以叫做固体推进剂，是一种特殊的含有较高能量的化学物质。它自身包含燃料和氧化剂，燃烧时不需要外界提供氧气。通常将推进剂制成密实的药柱，置于壳体中，位于喷管之前。推进剂药柱的形状通常为内孔燃烧药柱，调节药柱的内孔大小和深浅，可以获得所需要的推力-时间曲线。推进剂的用量，根据发动机类别（型号）规定的总冲和推进剂的比冲进行计算：
---------------------------------------(5.1)
式中，Mp为推进剂质量；I为发动机的总冲； IS为推进剂的比冲。
(四)延时(发烟)剂
延时(发烟)剂是一种燃烧时能产生烟雾的化学物质，其产生的烟雾可指示模型火箭的飞行轨迹，以便放飞人员肉眼跟踪或地面跟踪仪器测量火箭高度； 同时，使火箭有时间利用惯性继续爬升，以达到最大高度。延时剂一般也制成药柱，置于推进剂药柱后边，当推进剂燃烧完毕时，即引燃延时剂。延时剂的用量可根据火箭惯性飞行距离和延时剂的性能参数进行计算：
-----------------------(5.2)
式中，Md，为延时发烟剂质量；h为惯性阶段火箭飞行高度； rd为延时剂的燃速； Ac为壳体内横截面积； rd为延时剂密度，g为重力加速度。
(五)弹射(开伞)剂
弹射(开伞)剂是一种高燃速、能生成大量气体的化学物质，当火箭到达顶点时，延时剂燃尽，随即引燃弹射剂，弹射剂瞬即产生的大量气体冲破堵盖，将箭体中的回收装置(一般都采用降落伞)连同头锥一齐推出，然后降落伞自行展开，带着头锥和箭体安全降落到地面上。弹射剂用量以能将降落伞迅速推出筒体而又不损伤伞面和伞绳为原则，可以通过试验确定。
(六)堵盖
堵盖一般也采用陶土制造，用于封堵发动机壳体，贮存时起到密封和防潮的作用；工作时与喷管、壳体一道维持工作压强。
(七)点火装置
图5.3 电点火头
模型火箭发动机使用的点火装置，实际上是一个电点火头(图5.3)，由导线、桥丝、热敏药组成。电点火头通常经过喷管插入推进剂药柱内孔中。
三、工作原理简介
模型火箭发动机的工作原理，与一般的化学火箭发动机一样，利用其自身携带的推进剂，在壳体内燃烧，生成高温、高压的燃气，流经喷管后，不断加速，最后以极高速度(大于声速)从喷管出口面喷射出去，直接产生反作用的推力。有关火箭发动机推力的推导过程，有兴趣的读者可以参看第二章第四节。

四、发动机工作过程及其对应的火箭飞行阶段
模型火箭发动机的工作过程及其对应的火箭飞行阶段可以分为3个连续过程(图5.4)。
(一)点火和推进剂燃烧过程(发动机工作过程)/火箭主动飞行阶段
接通电点火头的电源，其上的热敏药被点燃，从而引燃推进剂药柱，使推进剂燃烧，产生高温、高压燃气，通过喷管不断加速，以极高速度从喷管出口面排出，产生反作用的推力，推动模型火箭不断上升。火箭在发动机工作过程的飞行阶段，叫做主动飞行阶段或动力飞行阶段。
(二)延时剂燃烧过程/火箭惯性飞行阶段
推进剂燃烧完毕后，紧接着便引燃相邻的延时剂，延时剂燃烧产生烟雾，指示火箭惯性飞行轨迹。当延时剂开始燃烧时，火箭利用主动段得到的速度进行惯性飞行； 当火箭到达顶点时，延时剂正好燃烧完毕。准确的延时剂用量，应使其燃烧时间贯穿于整个火箭的惯性飞行阶段。
图5.4 发动机工作过程及其火箭飞行阶段
需要说明一下，市场销售的标准模型火箭发动机的延时时间，是根据一般模型火箭惯性飞行高度确定的，而且有15%的偏差。所以对于某一具体模型火箭，它不一定满足火箭在最高点时延时剂正好燃烧完毕。对于参赛用的模型火箭，应该根据选用的模型火箭发动机型号来设计，以使其质量和阻力满足惯性飞行高度的需要，这样可以取得良好的成绩。
(三)弹射剂燃烧过程/火箭自由飞行阶段
延时剂燃烧完毕，立即引燃弹射剂，弹射剂瞬即燃烧，产生大量膨胀气体，从而冲破堵盖，将回收装置连同头锥推出箭体筒段。这时火箭处于自由飞行阶段，亦即留空和回收阶段。留空时间的长短，取决于降落伞出筒速度、开伞速度、伞的面积和火箭降落时的大气环境。
第三节 模型火箭发动机分类
模型火箭发动机是依据总冲大小进行分类的。根据《FAI 运动规则，4d部分，航天模型》的规定，发动机依据总冲分为６类（表5.1）。
在表5.1中，A型发动机，国内还细分为1/2 A(0~1.250牛·秒)和A(1.26 ~ 2.50牛·秒)。美国则分为1/4A(0~0.625牛·秒)、1/2A(0.626~1.25牛·秒)和A(1.251 ~2.50牛·秒)。
市面供应的模型火箭发动机，在壳体上都标有发动机的类别和性能参数，例如，四凯模型火箭公司生产的A型发动机，在壳体上标明“A6-3”，表示该发动机属于A类， 总冲为2.5 牛·秒； 平均推力为6牛；延时(开伞)时间为3 秒。
表5.1 模型火箭发动机分类表
发动机类别(型号)
总 冲
A
0~2.50N·s
B
2.51~5.00N·s
C
5.01~10.00N·s
D
10.01~20.00N·s
E
20.01~40.00N·s
F
40.01~80.00N·s
根据上述数据，我们可以推算出A6-3型发动机的工作时间(即推进剂的燃烧时间)为2.5 牛·秒/6牛»0.42秒。
四凯模型火箭公司生产的A、B和C型发动机的标准外形尺寸为 f18´70 毫米(直径´长度)。
第四节 发动机的使用和注意事项
模型火箭发动机属于火工品范畴，《FAI 运动规则，4d部分，航天模型》对其作了具体规定。使用时必须注意安全，严格按照说明书进行操作。
一、注意事项
模型火箭发动机在贮存和使用过程中应注意以下事项：
1) 购进的发动机和点火头应原封不动地存放在避光的阴凉干燥处，远离火源和电源。
2) 在临使用前开启发动机及电点火头的包封，对未使用的发动机和电点火头仍然放进包装内，电点火头应以软纸包裹好。
3) 严禁解剖发动机和将其投入火中。
4) 12岁以下儿童必需在成人指导下使用发动机。
二、发动机和电点火头的安装和使用
为了配合发动机的点火，请购置模型火箭发动机生产厂配套生产的点火控制器，以确保安全。发动机的安装和使用程序如下：
1) 将电点火头通过发动机的喷管孔插入推进剂药柱孔内(点火头必须接触到药柱)。
2) 用小棉纸团塞住喷管孔，以固定电点火头，防止松动脱开。
3) 将装有电点火头的发动机从箭体尾部放入。注意：必须以卡钩固定，以防发动机在飞行过程中脱落。
4) 将装好发动机的模型火箭置于发射架上； 检查电点火头是否固定牢靠，其两根导线是否分开，是否与发射架的导流盘绝缘。
5) 将电点火头的两根导线与点火控制器的两个接线夹相连接。注意：连接时必须切断电源，切勿短路!
6) 插上安全销，点火控制器上红色指示灯亮，所有人员退到离发射架5米(适用于D型以内发动机，当使用E型以上发动机时为9米)以外的地方，按下点火控制器的按钮，进行发射。
如果发生意外，请参照第六章第六节进行处理。

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