航空航天概论-第三章.ppt

1、1,第三章 飞行器动力系统,2,3.1 发动机的分类及特点,3,3.2 活塞式航空发动机,活塞式发动机的主要组成,4,3.2 活塞式航空发动机,活塞式发动机的工作原理,5,3.2 活塞式航空发动机,活塞式发动机的冷却方式（星形 X形 V形 直立式 对立式）,星形发动机,直立式发动机,V形发动机,6,3.2 活塞式航空发动机,直列4缸发动机,水平对置发动机,V形6缸发动机,7,3.2 活塞式航空发动机,8,3.2 活塞式航空发动机,活塞式发动机的辅助系统进气系统 燃料系统 点火系统 冷却系统 启动系统 定时系统 航空活塞式发动机主要性能指标发动机功率:发动机可用于驱动螺旋桨的功率称为有效功率（k

2、W） 功率重量比：发动机提供的功率和发动机重量之比（kW/kg）燃料消耗率(耗油率)：衡量发动机经济性的指标，产生1kW功率在每小时所消耗的燃料的质量（kg/kW/h),9,3.3 空气喷气发动机,10,高压燃气向后喷射过程使发动机产生向前的推力,11,燃气涡轮发动机,燃气涡轮发动机的核心机 压气机 燃烧室 涡轮 。涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 涡轮螺桨发动机 涡轮桨扇发动机 涡轮轴发动机 垂直起落发动机,12,1、涡轮喷气发动机,涡轮喷气发动机的五个组成部分进气道 压气机 燃烧室 涡轮机 尾喷管,13,1、涡轮喷气发动机,进气道系统 整理进入发动机的气流，消除旋涡，保证发动机所需的空气量；

3、将高速气流逐渐降下来，尽量将动能转变为压力势能，保证压气机有良好的工作条件 。 进气道形状,14,涡轮喷气发动机进气道的布局位置,机头正面进气 两侧进气（机身、翼根） 腹部进气 背部进气 短舱正面进气,15,涡轮喷气发动机进气道的布局位置,机头正面进气,16,涡轮喷气发动机进气道的布局位置,17,涡轮喷气发动机进气道的布局位置,18,涡轮喷气发动机进气道的布局位置,19,涡轮喷气发动机进气道的布局位置,20,1、涡轮喷气发动机,压气机 提高进入发动机燃烧室的空气压力 。,21,1、涡轮喷气发动机,燃烧室 燃料与高压空气混合燃烧的地方,22,1、涡轮喷气发动机,涡轮 将燃烧室出口的高温、高压气体

4、的能量转变为机械能，驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件,23,1、涡轮喷气发动机,加力燃烧室 飞机突破音速的主要手段,24,1、涡轮喷气发动机,尾喷管 整理燃烧后的气流，燃气膨胀，加速喷出产生推力,25,2、涡轮螺桨发动机,螺旋桨提供拉力，燃气提供少量推力；低亚声速飞行时效率高，耗油率小，经济性能好,26,2、涡轮螺桨发动机,27,3、涡轮风扇发动机,能量损失小，耗油率低，经济性好，噪音水平低，效率高 起飞推力大。 涵道比：外股气流与内股气流流量之比,28,3、涡轮风扇发动机,发展方向： 低涵道比的军用加力发动机 高涵道比、高涡轮前温度、高增压比的民用发动机,29,4、涡轮桨扇发动机,推进效率

5、高，省油；适用于高亚音速飞行,30,4、涡轮桨扇发动机,31,5、涡轮轴发动机,现代直升机的主要动力 比活塞发动机易于启动、功率大、质量轻、体积小，振动小，噪声低，航程、速度、升限、装载量大；耗油率较大,32,5、涡轮轴发动机,美国AH-64“阿帕奇”武装直升机，世界十大武装直升机。引擎为两具通用电气T700涡轮轴发动机，安装在旋转轴的两旁，排气口位于机身较高处。,33,6、垂直起落发动机,可转喷口的涡轮扇发动机,34,6、垂直起落发动机,35,6、垂直起落发动机,X-32B是波音公司参与美国空军联合攻击战斗机（JSF）计划的验证机，但是最终败给了洛-马公司的X-35（F-35）,X-32B,

6、F-35,X-32B,F-35“闪电-II”型战斗机装备的是由普拉特-惠特尼公司研制的F-135发动机，最大推力达4万磅(超过18吨)-这使其成为有史以来最为强劲的战斗机发动机。与其前辈一样，F-135同样配备有矢量推力喷嘴。它不但可保障F-35具有非常高的机动性能，而且可缩短战机的起降距离。,36,冲压喷气发动机,组成进气道（扩压器）、燃烧室、尾喷管 特点：构造简单，质量轻，推重比大，成本低，高速状态(Ma2)下，经济性好，耗油率低；低速时推力小、耗油率高，工作范围窄，对飞行状况的变化敏感,37,冲压喷气发动机,X-43A飞机长3.65米，翼展1.5米，采用冲压式喷气发动机能从高空稀薄的大气

7、中获取氧，保证推进器正常工作。飞行速度9.7马赫，创造了接近十倍音速的新纪录。,一架B-52B重型轰炸机运载一架X-43A飞机和一枚“天马”助推火箭，与X-43A捆绑在一起的“飞马“火箭点火，将X-43A推至大约2.9万米的高空。接下来，X-43A发动机点火，独立飞行。,38,涡轮喷气发动机的工作状态,起飞状态：推力最大，发动机的转速和涡轮前温度都最高，允许工作510min 。 最大状态：起飞推力的85%90%，工作时间不超过30。 额定状态：推力等稍低于最大状态，连续工作 。 巡航状态：起飞推力的65%75%，耗油率低，经济性好，连续工作 。 慢车状态：起飞推力的3%5%，稳定工作的最小转速

8、状态，效率很低，允许工作510min。,39,3.4 火箭发动机,不仅自带燃烧剂，而且自带氧化剂 。 火箭发动机的主要性能参数 推力 (N) 冲量和总冲 推力对工作时间的积分，反映了发动机工作能力的大小（Ns） 比冲 发动机燃烧1kg推进剂所产生的能量（m/s),40,液体火箭发动机,液体火箭发动机的组成及工作原理 推进剂输送系统 流量调节控制活门 推力室(喷注器、燃烧室、喷管) 冷却系统,41,液体火箭发动机,推进剂输送系统 功用：按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂,42,液体火箭发动机,推力室 功用：将液体推进剂混合、燃烧，化学能转变成推力,43,液体推进剂, 对推进剂的要求 能量高 良

9、好的物理和化学安定性 无毒性，对金属无腐蚀作用 推进剂中有一组元传热性好，可用来冷却推力室壁 粘度小 燃烧性能好 经济性好、成本低,44,液体推进剂, 主要的液体推进剂 氧化剂 液氧O2 液氟F2 硝酸HNO3 过氧化氢H2O2 四氧化二氮N2O4 燃烧剂 液氢H2 航空煤油 肼及其衍生物N2H4 (CH3)2N2H2 混胺,45,液体火箭发动机的优缺点,优点 比冲高，推力范围大，能反复起动，推力大小较易控制，工作时间长；固体推进剂性能稳定，可长期贮存。 缺点 推进剂不宜长期贮存，作战使用性能差,46,固体火箭发动机,1、固体火箭发动机的组成及工作原理组成药柱、燃烧室、喷管组件、点火装置,47

10、,固体火箭发动机,2、 固体火箭发动机的推进剂药柱形状和特点,48,固体火箭发动机的优缺点,优点 结构简单，可靠性高；操作简便； 固体推进剂性能稳定，可长期贮存。 缺点 推进剂能量比液体推进剂低，比冲较小；工作时间短，燃烧室压力和工作时间对装药初始温度较敏感； 推力大小、方向调节困难； 重复起动困难，一般只能一次性工作。,49,固-液混合火箭发动机,1、固-液混合发动机的组成和工作原理 2、固-液混合发动机的特点混合推进剂性能较好； 结构较简单； 推力调节、重复起动方便,50,3.5 组合发动机,火箭发动机与冲压发动机组合,51,3.5 组合发动机,涡轮喷气发动机与冲压发动机组合 火箭发动机与涡轮喷气发动机组合,52,3.6 非常规推进系统,电推进系统 核推进系统 太阳能推进系统,53,3.6 非常规推进系统,将太阳能转化为电能，再通过电能电离惰性气体原子，喷射出高速氙离子流，为探测器提供主要动力,SMART-1探测器及其太阳能离子发动机,54,3.6 非常规推进系统,日本国家空间发展局的MUSES-C航天器，使用4台Y-2发动机。Y-2微波离子发动机是针对小行星交会采样飞行任务的需要而研制的一种微波电离式离子发动机。,