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推进系统

飞行器推进系统(flight vehicle propulsion system)是利用反作用原理为飞行器提供推力的装置。基于牛顿提出的作用力等于反作用力的原理,飞行器推进系统驱使一种工质(工作介质)沿飞行相反方向加速流动,工质就在飞行器上施加一个反作用力,推动飞行器的这个反作用力就是推力。

自1903年人类首次有动力飞行依赖,已经开发出大量成熟、可靠的空天推进系统。空天推进系统经过这么多年的发展,主要分为两大类:即航空推进系统和火箭推进系统。

推进系统要产生推力,必须有能源、工质和动力装置。可供飞行器利用的能源有化学能、太阳能和核能。化学能是飞行器最常用的能源,太阳能和核能在飞行器上的利用正处于研究开发阶段。用于推进飞行器的工质有空气、燃气或其他气体。动力装置包括发动机和推进器。有时发动机本身就是推进器。能源和工质既可由飞行器自带,也可在飞行中由飞行器自外界环境取用(例如太阳能、空气)。推进系统是飞行器的重要组成部分,对飞行器的发展有重大影响。只是在有了性能较好的活塞式发动机后,人类第一架飞机才得以升空;有了涡轮喷气发动机,飞机的飞行速度才有可能超过音速;有了高性能的涡轮风扇发动机,能乘几百人的巨型客机才可能投入航线使用;有了各种类型的火箭发动机,星际航行才由幻想变为现实。

内燃机

飞行器推进系统发展的历史并不很长,从1903年美国莱特兄弟第一次在飞机上使用 8.8千瓦的内燃机,发展到1969年美国“土星”5号运载火箭使用大推力的 F-1发动机和J-2液氧-液氢发动机把人送上月球,相距只有66年。

活塞式航空发动机

在这段历史时期中,初期活塞式航空发动机取得了长足的进展,各国研制出一大批性能优良的活塞式航空发动机,装备了40年代以前的所有飞机。随着科学技术、材料、工艺水平的提高,空气喷气发动机应运而生。

空气喷气发动机

(air-breathing jet engine)以空气为工质主要组元的一种喷气航空发动机。其特点是工作过程中须从大气中吸入燃烧所必需的氧气,只能在大气中工作。发动机工作时,空气进入燃烧室前先行压缩,然后进入燃烧室与雾化了的燃料混合燃烧,生成具有很大能量的高温燃气,以高速从喷口向外喷出,使发动机产生反作用推力。空气喷气发动机按空气压缩方法的不同,分为有压缩器式和无压缩器式两类。现代飞机应用的涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机属于有压缩器式空气喷气发动机,由于它们都装有压缩器、燃烧室和燃气涡轮,所以又称燃气涡轮发动机。无压缩器式空气喷气发动机包括冲压喷气发动机和脉动喷气发动机。空气喷气发动机的燃料只占工质总量的2-6%,其余工质都是空气,在大气层中飞行时,空气喷气发动机比火箭发动机具有更高的经济性,因而被广泛用于飞机、导弹等飞行器的动力装置,2015年02月9日NASA发展新技术实现超音速喷气机低噪音推进。

涡轮喷气发动机

1939年德国E.H.亨克尔的装有He-178涡轮喷气发动机的飞机飞上天空,接着1941年英国F.惠特尔的装有W-1涡轮喷气发动机的飞机也进行了试飞。到 1944年,涡轮喷气发动机已正式投入使用。第二次世界大战后,航空喷气发动机得到迅猛发展,各种性能优良的喷气式飞机相继出现。 [1]

涡轮增压发动机指的是配备涡轮增压器的发动机。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。

涡轴发动机推进系统

在核心机后加装一套动力涡轮(一级或多级),使燃气驱动动力涡轮,动力涡轮的前轴穿过核心机转子通过压气前的减速器减速后由输出轴输出功率,然后再通过直升机主减速器减速后驱动直升机旋翼和尾桨,产生升力和推力。产生、发展与现状:涡轴发动机最开始于19世纪50年代中期用作直升机的动力。与活塞发动机相比,涡轴发动机具有重量小、体积小、功率大、振动小、易于启动和便于维修和操作等优点,得到了迅速的发展和应用。1955年法国透博卡公司研制出第一台涡轴发动机,并安装在“云雀”Ⅱ直升机上,显示出涡轴发动机的优越性和安全性。现在,在260KW以上的直升机上,得到了广泛采用,基本取代了活塞式发动机。但现在对涡轴发动机仍有广泛的需求。在性能方面,提高功重比,降低油耗;在结构方面,降低重量,增加可靠性;在价格方和维护方面,降低单位寿命价格,更便于维护。涡轴发动机仍有广泛的发展潜力和空间。

固体火箭发动机

随着战略导弹武器的发展,美国和苏联先后研制出高性能的固体火箭发动机。航天飞机采用巨型固体火箭发动机助推,单台发动机推力已超过10兆牛(约1千吨力)。

液体火箭发动机

与航空事业高速发展的同时,航天事业也取得了稳步进展。自从1903年俄国齐奥尔科夫斯基提出星际航行设想后,1926年美国R.H.戈达德第一次进行了装有液体火箭发动机的火箭的试验性飞行。1944年德国发射了装有脉冲式冲压发动机的V-1导弹,接着又制成了采用液氧-酒精推进剂的液体火箭发动机,并用于V-2导弹。第二次世界大战后,美国和苏联在德国火箭技术的基础上,积极发展火箭推进技术。苏联在研制成功多机组合的液氧-煤油液体火箭发动机后,于1957年发射了第一颗人造地球卫星,并于1961年第一次将航天员送入太空。美国在制成大推力的助推发动机和高性能的液氧-液氢发动机后,1969年成功地进行了载人登月飞行。1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首航成功,它使用了大推力、高性能和可以重复使用的火箭发动机。

战略导弹推进系统

(strategic missile propulsion system) 为战略导弹飞行提供动力的全套装置。根据作用力等于反作用力的原理,推进系统向导弹飞行的反方向喷射工质,产生推力推动导弹运动。按战略导弹的类型可分战略弹道导弹、战略巡航导弹和反弹道导弹导弹3种推进系统。战略弹道导弹推进系 统通常有液体和固体两种导弹推进系统。为满足射程要求,战略弹道导弹通常为多级导弹,各级都有独立的推进系统。多级导弹的推进系统在飞行中把完成推进任务的级依次抛掉,以减少能量消耗,提高运载能力。由于各级推进系统工作的高度和要求不同,它们的推进剂、结构组成和性能参数可从优选择,但总体结构复杂,可靠性下降,操作量大。战略弹道导弹推进系统的主要特点是:

①推进剂总质量较大(占导弹总质量的90%左右),对推进系统的形式、弹头质量和弹道特性影响很大。

②推进系统自带氧化剂和燃烧剂,可在大气层内外工作。

③多级弹道导弹第一级推进系统,一般采用多推力室发动机或多台并联发动机,第二级一般采用一台发动机或并联发动机。

④液体导弹推进系统的工作通常分启动、初级、主级、末级和关机等过程。 [2]

太阳能推进系统

除了化学能源的飞行器推进系统外,人们正在积极研究利用核能和太阳能的推进系统。美国1970年发射的空间电火箭实验卫星,装了两台电火箭发动机,所用电能就是太阳能经电池转换得来的。美国研制的太阳能飞机于1981年7月成功地横渡英吉利海峡。

核推进装置

从1945年到1961年人们对飞机上用的核推进装置作了不少研究,但尚未能实用。为了在航天器上使用核能推进,美国研制了真空推力为 220千牛(约22吨力)的试验发动机。其他如太阳加热式火箭发动机,光子火箭发动机、太阳帆等新型推进系统也都在研究探索之中。但其中太阳帆利用光压直接推进航天器,已不属于反作用推进原理。

电力推进系统

美国空军实验室(AFRL)成功完成了霍尔效应推进器分系统的综合飞行硬件测试,并将该飞机实验硬件发往科特兰空军基地备用。AFRL准备将此硬件装于未来发射的“战术卫星-2号”飞行器上。此硬件包括霍尔效应推进器系统和一套交互传感器系统,其中交互传感器系统用于测量霍尔效应推进器与国防部航天器间的首次在轨交互数据。这是首次完全由美国制造的用于飞行的霍尔效应推进器。霍尔效应推进器主要用于航天器维持轨道平衡作用

平流层飞艇电推进系统

平流层是位于15~35 km高度的大气层,处于空中与空间概念之间的战略位置。飞艇是一种有推进装置、利用浮力原理升空、可控制飞行的飞行器。

飞艇推进系统的设计需要综合考虑飞艇结构、空天环境、载荷、飞行任务等综合因素。飞艇体积大,这种大惯量的飞行器要求其动力推进系统动力大,目前飞行器所 采用离子推进器(卫星上)、涡喷推进器和高速航天器涡扇推进系统的推进方式都不适合。而采用由太阳能电池供电,大功率高速稀土永磁无刷电动机驱动代替燃油 发动机的动力装置来带动螺旋桨的动力推进系统最为适合飞艇的推力需求。电推进系统可设计为电动机带动螺旋桨的单推力系统,也可设计为由多台电动机作动力装 置的多螺旋桨推进器。 本文设计的高空螺旋桨电推进系统具有以下特点:电推进系统按单独的整体设计方案;驱动电动机采用稀土永磁无刷直流电动机;单个驱动电动机的 功率为3 kw;驱动模式采用高速电动机加减速器推进螺旋桨、推进装置采用直轴型螺旋桨推进。系统能源采用太阳能+燃料电池。各系统需要在56℃~56℃条件下正常工作。根据飞艇的运行状态变化和姿态调整的需求,驱动控制器接收系统上位机指令,采用电力电子可关断器件实现能量转换,通过PwM斩波对稀土永磁无刷直流电动 机实施调压调速和组合逻辑换向控制。稀土永磁无刷直流电动机的输出转速经减速器变换后驱动螺旋桨,产生推力驱动飞艇飞行,在与飞艇尾部方向舵控制的结合 下,实现飞艇姿态调整。

电推进系统电动机:高空的特殊环境、能源需求、太阳能利用效率结构重量和有效载荷等诸多因素,要求螺旋桨推进电动机功率大、效率高、重量轻(功率密度高)、调速范围宽、高低温适应范围宽、寿命长、可靠性和高控制特性好,并满足螺旋桨负载需求: 电动机负载(电动机输出机械功率)的大小取决于螺旋桨,螺旋桨桨叶倾角的变化相当于电动机负载的变化。常规条件下的空气螺旋桨负载的机械特性为二次曲线(n∞√T)。驱动电动机必须满足螺旋桨负载需求。 有刷直流电动机在平流层大气密度、压力低芝环境下,电刷磨损严重且容易发生变形。无刷直电动机具有与一般直流电动机类似的机械特性.但由于当转矩较大、转速较低时,使加在电枢绕组上的电压不恒定而有所减小,造成机械特性曲线偏离直线变化,向下弯曲。当无刷直流电动机的机械特性曲线与螺旋桨负载的机械特性曲线相交,无刷直流电动机满足螺旋桨负载需求 [3]

空中悬浮推进系统

将一定质量的物体以一定速度推出,空体中悬浮的物体就能获得推出物体速度方向相反的推力。 [4]

基本概述

飞行器发动机常见的分类原则有两种:按空气是否参加发动机工作和发动机产生推进动力的原理。按发动机是否须空气参加工作,飞行器发动机可分为两类,大约如下所示:

吸空气发动机简称吸气式发动机,它必须吸进空气作为燃料的氧化剂(助燃剂),所以不能到稠密大气层之外的空间工作,只能作为航空器的发动机。一般所说的航空发动机即指这类发动机。如根据吸气式发动机工作原理的不同,吸气式发动机又分为活塞式发动机、燃气涡轮发动机、冲压喷气式发动机和脉动喷气式发动机等。

火箭喷气式发动机是一种不依赖空气工作的发动机,航天器由于需要飞到大气层外,所以必须安装这种发动机。它也可用作航空器的助推动力。按形成喷气流动能的能源不同,火箭发动机又分为化学火箭发动机、电火箭发动机和核火箭发动机等。

飞行器推进系统按工作原理的不同分为两大类:一类是间接反作用式,另一类是直接反作用式。

间接反作用推进系统

发动机和推进器不是一体,发动机工作时只输出机械功,而不能直接推动飞行器前进。发动机通过推进器(空气螺旋桨或旋翼)驱使工质(空气)加速流动,气流在推进器上产生反作用力,推动飞行器前进。属于这一类的发动机有:

①活塞式航空发动机:由一般汽油活塞发动机发展而成,它在功率、重量、耗油率、可靠性方面有很大改善。用它带动空气螺旋桨产生推力。

②涡轮螺旋桨发动机:属于燃气涡轮发动机的一种。燃气涡轮发出的功率除带动压气机外,还带动空气螺旋桨。飞行器总推力由空气螺旋桨产生的拉力和喷气产生的反作用推力组合而成,其中后者仅占一小部分。

③涡轮轴发动机:也属于燃气涡轮发动机。燃气通过涡轮驱动转轴输出轴功率,一般用来带动旋翼。由喷管流出的燃气只产生很小推力,甚至根本不产生推力。

④航空电动机:由一般电动机发展而来,但具有适用于飞机的特点。由太阳能电池组给直流电动机供电,通过减速器带动空气螺旋桨产生推力。

直接反作用推进系统

发动机本身就是推进器。发动机工作时向飞行器外喷射工质,工质直接对飞行器施加反作用力,推进飞行器。属于这一类的发动机有:

①涡轮喷气发动机:是典型的燃气涡轮发动机。从进气道吸入的空气,经过由燃气涡轮驱动的压缩机压缩,进入燃烧室与燃料混合燃烧,生成高温燃气驱动燃气涡轮后,经喷管加速排出产生推力。

②涡轮风扇发动机:由涡轮喷气发动机派生而来,发展迅速,已成为独立的类型。它吸入的空气仅一部分通过燃烧室,其余的通过外涵风扇经外涵道直接排出,或与内涵道涡轮后面的高温燃气相混合排出而产生推力。

③冲压发动机:利用高速迎面气流的冲压作用使空气增压,它没有压气机以及带动压气机的燃气涡轮,增压后的空气进入燃烧室与燃料混合燃烧后经喷管高速排出产生推力。一种特殊形式的冲压发动机为脉冲式冲压发动机,其工作原理近似于冲压发动机,只是在进气道中装有单向活门,随燃烧室内压力变化间歇地打开和关闭。这种发动机从进气、燃烧到排气的循环过程进行得很快,可达40~50次/秒。

④火箭发动机:发动机自带工质,根据传递给工质的能源不同分为化学火箭发动机(包括液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机)、电火箭发动机、核火箭发动机以及太阳能火箭发动机。它们的共同点在于:都是给工质增加能量,使其以高速射流形式喷出,产生反作用推力。

⑤组合发动机:由两种不同类型的直接反作用发动机组合而成。如火箭-冲压发动机、涡轮-冲压发动机等。在不同飞行条件下不同类型的两种发动机各以固有的工作方式工作,以发挥各自的优点。

其他分类方法

此外,习惯上又有不同的分类方法。由于活塞式、涡轮螺旋桨、涡轮轴、涡轮喷气、涡轮风扇和冲压发动机的工作都离不开空气,因而统称它们为吸空气发动机。又因为这类发动机主要用于飞机,也称为航空发动机。涡轮喷气、涡轮风扇、冲压和火箭发动机都是利用高速喷射的工质产生推力,所以这几种发动机统属于喷气发动机。其中除火箭发动机以外的其他发动机,均用空气作为燃烧所需的氧化剂,又统称为空气喷气发动机。

基于工质的空天推进系统分类

飞行器推进系统:航空推进系统活塞式航空发动机

航空电动机

涡轮螺旋桨发动机

涡轮轴发动机

涡轮喷气发动机

涡轮风扇发动机

冲压发动机

火箭推进系统化学火箭发动机 LRE、SRM

核火箭发动机

电火箭发动机

压缩气体火箭发动机

太阳能火箭发动机 [5]

美国主流派著名的物理学家,美国宇航局顾问、曾多次获得过学术奖的、目前正在费拉代尔费亚的未来学研究所作研究员的弗里曼.戴维森 (Freeman.Davidson)教授经多年研 究,总结出可利用于星际航行的推进 系统主要有以下几种,这里不防列 出,并对这些推进系统的性能,被应 用后所能产生的相关后果和现象逐一进行分析。

激光推进系统

利用能产生高能量的激光装置, 向装配在宇宙船上的一种特殊 “帆”,发射激光束来作为飞船的推 动力。 激光这门技术,目前在许多国家 己成为一种较为成熟的技术。在上世 纪的七十年代,利韦尔莫尔激光产生 了1兆兆瓦(10的十二次方瓦)的能 量。而桑迪亚的实验却产生了10兆兆 瓦的能量。到了八十年代美国的物理 学家又从X射线激光器的实验中获得 100兆兆瓦的能量。还有的科学家已 设计并试制成X射线激光,目前产生 1000兆兆瓦的能量,甚至是l0000兆 兆瓦能量的激光器。用这种具有巨大 的能量装置,来做宇宙飞船的推进系 统是完全可以实现的。

利用激光作推进系统,经严密计算,宇宙飞船的极限速度也只有光速 的一半,它不能飞往到离我们地球相 距几百,几千,甚至上万光年的星球 上,只能到达距地球几光年或几十光 年远的星球。 另外,高能量的激光还可以被用 来作为自卫或进攻的武器。这一功能 已被许多目击案例所证实。不管我们 使用飞机还是导弹,只要有进攻飞碟 的企图行为,那么飞碟只须发一道强 光,飞机或导弹便可立即被摧毁。

微型太空飞船抵达火星可能仅需30分钟!目前,美国加州大学圣巴巴拉分校物理学家菲利普-卢宾(Phillip Lubin)解释了先进的激光推进系统如何实现探测器30分钟抵达火星。

前不久专家曾提出3天时间抵达火星,但是物理学家菲利普称,使用超强激光推进系统可使极薄无人太空飞船30分钟抵达火星。据悉,菲利普于2015年10月在美国宇航局创新先进概念(NIAC)讨论会上首次提出“定向能量推进系统”概念。

菲利普指出,通过发射飞船的激光装置,将获得太空无摩擦加速度,定向能量推进探测系统将推进一个极薄无人飞船在10分钟之内达到26%光速的速度,这意味着抵达火星(1个天文单位)仅需30分钟、抵达航行者号探测器接近3天、抵达半人马座阿尔法星大约15天,该飞船飞行时速可达到2.8亿公里。

但是菲利普的计划中存在一些缺陷,例如:当这个探测器抵达火星时,如此高速运行的飞船如何降速着落,还有太空飞行时遭遇太空垃圾如何处理。菲利普解释称,积累的星际尘埃不会影响飞船的速度。此外,专家称该计划还将面临着另一个问题“时间膨胀”的影响。 [6]

微粒流电磁力推进系统

这是美国电磁物理学家阿瑟 C克拉克(Arthur.CClarke)提出的 一种理论。这种方法是使用电磁发生 器,用磁场的斥力在发射宇宙飞船时 进行加速。加在电磁发生器超导线圈 中的电流越大则飞船的加速度越大。 假如利电磁场的斥力作为推进系统,根据克拉克的理论计算其航速也 只有光速的二分之一以下。同样以此 为推力的宇宙飞船也不能飞往成千上万光年远的其他星球。

我们从某些飞碟目击案例中可以 看到:当飞碟出现时,汽车会突然熄 火,飞机上的各种仪表失灵,发、 配、送电系统会突然停电,无线电通 讯系统遭受严重干扰......。这些现 象都是由于飞碟具有强大的电磁场所 致。由此可见利用电磁场的斥力作为 推进系统这一假设是能够成立的。 [7]

核能离子推进系统

这种方式是利用原子反应堆作为 宇宙推进系统的能源,使之产生离子束或喷射等离子体作为飞船的推力。 从目前我们人类所掌握的核技术来 看,利用核能来实现星际旅是有可能 的,只是在防辐射技术和材料方面有待进一步改进,以便减少宇宙飞船的体积和重量。

假设利用核能离子推进系统,飞船的航速乃在亚光速的范围内。从各地某些飞碟着陆案中,在着陆点及其周围的上壤中则或多或少可以检测到放射性物质的存在,以此可以证明飞碟上是具有核能的。例如在上世纪八十年代的一个冬天在我们新疆阿勒泰地区的一个小山村里曾有一飞行器降落在一家哈萨克族的住房上,后来不久这家哈萨克农民一家四口先后死去,现在我们分析他们的死去是否受到大量的射线辐射有关?自然不排除这种可能 [8]

核脉冲推进系统

这是由装置在宇宙飞船的动力舱内核裂变或核聚变的爆炸而产生巨大能量的反作用 力,井控制形成脉冲成为飞船的推力。这种 方式在理论上是可以讲通的,然而在实际应用中,我们人类在许多技术,材料,控制等方面需要认真对待和解决。

宇宙能,光子推进系统

这是一种利用“宇宙能”,即宇宙空间 中的各种射线,星球的引力及各种无线电波 作为能源,利用量子在吸收了“宇宙能’后 从高能级跃进到低能级时能释放出光子的原 理。用光子喷射作为推力的一种系统。该理论笔者在《宇宙能的利用与航天动力》一文中已有较详尽论述。该推进系统作为一种宇 航推进理论是可以考虑的。而且经理论计 算,宇宙飞船用光子喷射推力系统,其航速可以达到光速,甚至是超光速的。假设飞碟已经运用了“宇宙能光子推进系统”。因此飞碟就能完全吸收它周围所有射线.无线电波和星球的引力波等,从而就会在飞碟的表面形成一个“引力真空屏蔽”,就是这道 “引力真空屏蔽”,使得飞碟不受星球引力的束缚,而行动自如。在地球的大气层中也不与空气摩擦,即使飞船的速度再快,也不 会因摩擦产生热量而着火或爆炸。另外,由于飞碟还能吸收无线电波作为能源,所以在这种飞碟经过之处,发生无线电通讯中断现象也就不奇怪了 [9-10]

物质与反物质“撞灭火箭”推进系统

这是利用粒子与反粒子碰撞而湮灭时所 产生的巨大能量作为飞船的推进力。反物质 的概念首先是由英国物理学家狄拉克 (Dirac)提出的,他预言:自然中存在着一 种与电子相同,但电荷却相反的正电子, 1932年,这种不可思议的正电子终于被美国 科学家安德森(Anderson)在宇宙射线中发现.1955年,又有人发现了质量与质子相同, 但却带负电荷的反质子。接着反中子,反中 微子也相继被发现。后来,人们发现所有的 粒子都有与其相对应的反粒子。这些反粒子 也像普通的粒子那样构成反原子,再由反原 子构成的物质,则称之为反物质。迄今为 止,我们人类在实验室里仅能制成一个反氘原子核,却不能制成一个完整的反原子,更 不用说反物质了。然而外星高级智慧生命也 许已经完全掌握了制做反物质的技术。因 此,他们把这一技术运用到宇宙飞船上作为 推进系统,是完全有可能的。 上面所讲述的六种宇宙飞船推进系统, 是我们人类目前从理论上所能认知和掌握 的,但还不能真正运用到宇宙飞船上。道理 很简单,那就是我们的技术和宇航所用的相 关材料暂时还无法满足星际航行的苛刻条件 和要求。

然而具有高智商的外星智慧生命可能已 经完全掌握了这些技术,或者还掌握了我们 人类尚未认知的其它先进宇航技术。另外.在现实的飞碟目击案例中,有的 飞碟则具有多功能现象,也许这种飞碟是利 用了多种推进系统来完成宇航的。 [9] [11]

综上所述的几种宇航推进系统,虽然我 们人类目前还没有利用以上任何一种推进系 统作为宇宙飞船的动力。但我们相信,随着 科学技术的不断开拓发展,在飞碟各种性能 的引导和启示下,我们人类将会运用各种新 技术,新材料,研制出光速或光速及其各项 技术性能比较完美的宇宙飞船。人类进人星 际旅行的时代已为期不远了。


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