推重比
推重比是飛機和航空發動機重要的技術性能指標,飛機發動機推力與發動機重力或飛機重力之比,它表示飛機發動機或飛機單位重力所產生的推力。飛機發動機在海平面靜止條件下於最大狀態(加力發動機為全加力狀態)所產生的推力與發動機結構重力之比稱為飛機發動機推重比。一般來說,戰鬥機的推重比較高,轟炸機和其他大型飛機的推重比較低。提高發動機推重比要通過氣動熱力學的進步、部件綜合設計技術的提高、結構簡化減重、材料工藝等專業共同努力才能實現。
噴氣發動機產生的推力和所在海拔高度相關,同時飛機自重的計算也沒有統一標準,因此推重比在不同情況下的計算會產生不小差異。
增大推重比有兩個途徑,減小飛機自重,採用更輕的材料製造,或者是增大發動機的推力。
推重比影響因素
在當代高性能發動機參數的基礎上,依靠氣動熱力學的進步和配以相應材料、工藝技術,發動機推重比可達到約12;進一步依靠發動機部件設計技術的提高,減少葉片機級數、採用整體葉盤結構、高通流設計,可使發動機推重比達到13~14左右;要想使推重比達到15,還需採用強度高、比重小的非金屬和金屬複合材料。將影響小涵道比的加力渦扇發動機推重比的因素作如下整理。
發動機總體循環參數對推重比的影響
1、渦輪進口溫度的影響,提高渦輪進口溫度,能有效地提高推重比,但這帶來兩大技術問題:(1)如仍使用當代高性能發動機渦輪材料,則渦輪葉片平均冷卻效率要求達到約0.738,提高約12%,使渦輪冷卻設計非常困難;(2)由於渦輪進口溫度的提高,為保證內、外涵參數匹配,必需提高風扇壓比,減小高壓壓氣機壓比,使風扇的平均級負荷增加約9%,增加了風扇和低壓渦輪設計難度。
2、發動機總增壓比的影響,純提高總增壓比,並不能提高推重比,在高增壓比下,推重比反而下降,由於總增壓比的提高,需要的壓氣機/渦輪功增加,可用於產生推力的燃氣機械能相對比例下降。
3、涵道比BPR的影響,高推重比的發動機仍應採用小涵道比。
部件氣動、熱力設計技術對推重比的影響
1、部件效率的影響。提高部件效率儘管可以使油耗有所下降,但對增加推重比並不很明顯。
2、渦輪冷卻設計的影響。減少用於渦輪冷卻的空氣量,可以有效地提高推重比,但極限情況下,即完全不用冷卻,也只能使推重比達到11左右,但這對渦輪的設計,渦輪的可靠工作帶來極大困難。
3、高通流設計的效果。提高進口氣流速度,可以提高單位流通面積的流量,從而減小進口直徑,減輕重量,提高推重比。
結構設計技術的進步對推重比的影響
要保證上述氣動熱力參數的實現,結構設計技術相應應有所提高。
材料工藝的進步對提高推重比的影響
為了實現氣動、熱力、部件設計,結構減重等技術進步,必須有材料的相應支持,適合於推重比12~15發動機的材料應該是:
1、耐高溫材料;
2、高比強度和高比剛度;
3、量使用輕質金屬和非金屬材料。
比沖
比沖,或稱比衝量(英文:specific impulse),是用於衡量火箭或飛機發動機效率的重要物理參數。比沖的定義為單位推進劑的量所產生的衝量。如果用重量描述推進劑的量,比沖擁有時間量綱,國際單位為秒;如果用質量描述推進劑的量,比沖以速度量綱表現,國際單位為米每秒。由於在計算上比沖可以寫為推力與推進劑重量或質量流速之比,故又稱比沖為比推力(英文:specific thrust)。
火箭發動機單位重量推進劑產生的衝量,或單位重量(力)流量的推進劑產生的推力,又稱比推力。比沖或比衝量是對一個推進系統的燃燒效率的描述。比沖的定義為:單位質量的推進劑所能帶來的衝量(動量的改變),單位為米/秒(m/s)或牛·秒/千克(N·s/kg),工程上習慣使用秒(s)。比沖越高代表效率越好,亦即可以用相同質量的燃料產生更多的動量。
比沖影響因素
是衡量火箭發動機特性的重要參數,單位是秒(s)。比沖大小對火箭的射程影響很大,比沖越高,射程越遠。要獲得高比沖推進劑,要求推進劑具有高的化學能、高的燃燒效率和高的噴管效率,噴管形狀直接影響比沖的大小。
比衝量越高,火箭獲得的總動力越大,最終的速度越快,典型的固體火箭發動機的比衝量可以達到290秒,液體火箭主發動機的比衝量則是300至453秒,而離子發動機則能獲得更大的比衝量。按照上面的定義,用物理學的單位換算,比衝量的單位是米每秒m/s,與速度V單位相同:FT/M=MV/M=V,與上述簡化單位相差一個重力加速度g:FT/M=MgT/M=gT。例如“比衝量可以達到290秒”是指火箭噴出的燃料的速度可以達到290*g=2900m/s。比衝量與火箭噴出的燃料的速度成正比,要提高比衝量,就要想辦法提高火箭噴出的燃料速度。比衝量的極限即為燃料噴出速度達到光速,換算成以秒作單位則是3×10 秒。