1、航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.1 发动机的分类及特点,燃气涡轮发 航空航天 动机,冲压 喷气发 动机,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,液体火箭发动机 固体火箭发动机,活塞式 发动机,火箭 冲压发 动机,发动机,航空航天 发动机,火箭 发动机,组合 涡轮 冲压发 发动机 动机火箭涡轮喷气发动机,化学 火箭发 动机 固-液混合火箭发动机,电火箭发动机 核火箭发动机,非化学 火箭发 动机 太阳能火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,航空航天概论,3.2 活塞式航空发动机,3.2.1 活塞式发动机的主要组成,排气活门,
2、汽缸,进气活门,活塞,连杆,曲轴,3.2.2 活塞式发动机的工作原理,进气,压缩,燃烧,排气,活塞式航空发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.2.3 活塞式发动机的辅助系统,进气系统,冷却系统,燃料系统,启动系统,点火系统,定时系统,活塞式航空发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,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,活塞式航空发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,活塞8发动机,双排14缸星形气冷发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.2.4 航空活塞式发动机主要性能指标,发动机功率,发动机可用与驱
3、动螺旋桨的功率称为有效功率（kW）,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),活塞式航空发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.3 空气喷气发动机,气 球,起 花 点 火 燃 烧 后 向 上 飞 升,平衡状态,反作用力 作用力,自动旋转喷灌器 喷嘴喷出高压水流的反作用力驱动喷管沿立轴旋转,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,高压燃气向后喷射过程使发动机产生向前的推力,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.3.1 燃气涡轮发动机,燃气涡轮发
4、动机的核心机,压气机 燃烧室 涡轮,涡轮喷气发动机,涡轮螺桨发动机,涡轮轴发动机,涡轮风扇发动机,涡轮桨扇发动机,垂直起落发动机,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,1、涡轮喷气发动机,组成部件,进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管,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；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,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,进气道系统,进气道的形状,Ma 1,Ma 1,亚声速进气道,超声速进气道,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞
5、行器动力系统,进气道系统,进气道的布局位置,机头正面进气,腹部进气,两侧进气（机身、翼根）,背部进气,短舱正面进气,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,歼七,歼八,机头正面进气,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,歼十,F-16,腹部进气,ef 2000,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,Saab35,两侧进气（机身、翼根）,鹞,歼八II,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,背部进气,F-117,X-45,B-2,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论
6、,第3章 飞行器动力系统,短舱正面进气,三叉戟,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,压气机,提高进入发动机燃烧室的空气压力,离 心 式 压 气 机,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,压气机,轴流式压气机,静子,转子,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,压气机,轴流式压气机,叶轮,整流环,叶轮旋转方向,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,燃烧室,燃料与高压空气混合燃烧的地方,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,燃烧室,涡 流
7、器,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,涡轮,将燃烧室出口的高温、高压气体的能量转变为 机械能，驱动压气机、风扇、螺旋桨和其他附件,工作叶轮,导向器,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,加力燃烧室,功用：使燃烧更充分燃烧，产生更大的推力。,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,尾喷管,整理燃烧后的气流,支板,整流锥,喷口,燃气膨胀，加速喷出产生推力,亚音速喷管收敛形,超音速喷管拉瓦尔喷管,空气喷气发动机,涡轮喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.3.2 空气喷气发动机的主要性能参
8、数,推力,作用在发动机内外表面上压力的合力(N),单位推力,每单位流量的空气(kg/s)进入发动机所产生的推力,推重比,发动机推力(地面最大工作状态下)和其结构重量之比,单位耗油率,产生单位推力(1N)每小时所消耗的燃油量(kg/N h),发动机经济性的主要指标,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,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,螺旋桨,减速齿轮 进气道 压气机 燃烧室 涡轮 尾喷管,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,C-130大力神,运7,图95战略轰炸机,航空航天概论,第3章 飞行器动力
9、系统,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,涡轮风扇发动机的结构参见教材,涵道比：外股气流与内股气流流量之比,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,涡扇9,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,Su27,秦岭”WS-9涡扇发动机,Boeing777,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,4、涡轮桨扇发动机,推进效率高，省油；适用于高亚音速飞行,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,安70,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,5、涡轮轴发动机,现代直升机的 主要动力比活塞
10、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,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,AH64,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,6、垂直起落发动机,可转喷口的涡轮扇发动机,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,垂 直 起 落 发 动 机,可转喷口的涡轮扇发动机,鹞,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,垂 直 起 落 发 动 机,X-32B,可转喷口的涡轮扇发动机,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,升力风扇发动机,垂 直 起 落 发 动 机,周缘涡轮,升力风扇
11、,涡轮喷气发动机,管道,尾喷管 换向活门,X-35,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.3.3 冲压喷气发动机,组成进气道（扩压器）、燃烧室、尾喷管,燃油喷嘴,燃油室,进口,推进喷管,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，静 止时不能产生推力，工作范围窄，对飞行状况的变化敏感,空气喷气发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,V1导弹,中国C-101超音速反舰导弹。采用两台冲压发动 机。图中显示了C-101发射时火箭助推器工作的情景,X43A,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.3.4 涡轮
12、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状态，,效率很低，允许工作510min,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.4 火箭发动机,不仅自带燃烧剂，而且自带氧化剂,3.4.1 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（
13、m/s),航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.4.2 液体火箭发动机,1、单组元液体火箭发动机,结构简单，能量低，比冲低,火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,2、双组元液体火箭发动机,（1）液体火箭发动机的组成及工作原理,燃烧剂箱及输送系统 燃烧室 喷管,氧化剂箱及输送系统 喷注器,推进剂输送系统,推力室(喷注器、燃烧室、喷管),航空航天概论,流量调节控制活门,冷却系统,火箭发动机,第3章 飞行器动力系统,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,挤 压 式 输 送 系 统,泵 式 输 送 系 统,结构简单可靠，易实现 多次起动，结构质量较大,航空航天概论
14、,系统结构复杂，但质量轻,火箭发动机,第3章 飞行器动力系统,推力室,功用：将液体推进剂混合、燃烧，化学能转变成推力,喷注器,燃烧室,喷管,火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,（2）液体推进剂, 对推进剂的要求,能量高,良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,火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统, 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,(CH3)2N2H2 混胺,肼及其衍生物N2H4,
15、火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3、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,火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.4.3 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,壳体,前盖,主药柱 传动机构,喷管,点火器,推力终止装置,航空航天概论,侧喷管,火箭发动机,第3章 飞行器动力系统,2、 固体火箭发动机的推进剂,（1）固体推进剂的种类,（2）药柱形状和特点,一维药柱,三 维 药 柱,二维药柱,
16、火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,（3）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,火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.4.4 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,火箭发动机,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.5 组合发动机,3.5.1 火箭发
17、动机与冲压发动机组合,可调进气口,加力喷嘴,燃烧室,供氧与供油,可调喷管,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,3.5.2 涡轮喷气发动机与冲压发动机组合,低马赫数,高马赫数,3.5.3 火箭发动机与涡轮喷气发动机组合,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,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,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,SMART-1探测器及其太阳能离子发动机,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,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,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。,航空航天概论,第3章 飞行器动力系统,
