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  • 孙得川 ( 教授 )

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“推进”的内涵和基本形式

发布时间: 2021-08-28       点击次数:

当前,航空航天技术很热门。这个学科门类涵盖的内容很广,这里只简单谈一谈其中不可或缺的"推进系统"。

从广义上讲,"推进系统"使飞行器发生了时空位置的变化。那么从物理本质上来说,飞行器这个对象必须与环境发生相互作用,即"体系"与"环境"之间必须有"能量"的交换。从热力学的角度来说,飞行器必须对环境做功(或者相反)才能使飞行器运动。可以说,如果物理上没有进一步的突破,现在的所有推进系统都不能脱离这个本质,与这个本质相违背的都是伪科学。

从上述的本质出发,可以把航空航天推进系统分为"喷气"和"不喷气"两类。不喷气的推进装置如螺旋桨,其本质是螺旋桨与环境中的气体发生相互作用,在桨叶上形成了气动力的作用,而这个力拉着飞机向前运动。所以不喷气的飞行器需要"浸没"在环境介质(流体)中,飞行器的部件与介质(环境)发生相互作用而使飞行器运动。这就是飞机为什么只能在大气层内飞行的原因。而喷气推进系统,顾名思义就是通过喷出气体(流体)而获得推力。其本质是动量守恒,即飞行器所获得的前进的动量等于排出流体的向后的净动量(需要减去进入飞行器的流体的动量)。

现在航空航天推进系统多数采用喷气推进的形式。按照气体加速的形式,可将喷气推进分为"热推进"和"电磁推进"这两种基本形式。"热推进"是通过热力学过程将气体的能量转换成动能,所采用的能量转换装置是喷管(如常见的火箭发动机喷管)。因此为了获得更多的动能,通常需要提高气体的温度和压力,使之具有更高的可转换能量。提高气体温度和压力可用燃烧或热核反应加热的形式,如涡轮喷气发动机、化学火箭发动机(固体火箭发动机或液体火箭发动机)、微波电热火箭发动机、核热火箭发动机等。其结构特征是喷管具有特殊的形状,如航空发动机常用收缩喷管,火箭发动机常用收缩扩张形的拉瓦尔喷管。而"电磁推进"则是利用电场或磁场直接加速工质,故要求工质带电,因为中性的介质无法用电场或磁场加速。因此,电磁推进所用的工质通常是电离的等离子体,我们常说的电推进指的就是这种推进形式。

目前的航空航天推进系统,基本都可以归结为上述的推进形式。比如只讲"核推进"是不严谨的,应该更具体的分成"核热推进"或"核电推进"。比如大推力的核推进都是"核热推进",是利用热核反应加热工质(通常用氢气),也是未来星际航行中的首选推进系统。而"核电推进"系统通常在外层空间或者航天器上使用,即建造一个小型的核电站,实现核电转换,再用电实现"电磁推进"。

当前的航空航天推进系统研究,不能脱离其物理内涵,否则就会走入歧途。

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