CN1279392A - 火箭导弹节能发射筒及节能计算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火箭导弹节能发射筒及节能计算法,它节约了大量推进剂并减轻了火箭负荷。其技术思想是根据连续方程ρVS=常数和动能分配规律,当喷气速度受到外力制约减小时,压力就相应增大,减少了喷气带走的动能。特点是,在发射筒的下部设有推进剂燃烧室,发射时,把火箭置于该燃烧室上部,先令该燃烧室产生高压燃气推动火箭,再适时令火箭喷气飞行。与研制中的火炮助推火箭相比,本装置变火炮发射时极猛烈的瞬间加速为较缓和持续加速,避免了脆弱的火箭装药及仪器不适应问题;本节能计算法又可避免浪费大量推进剂。

Description

火箭导弹节能发射筒及节能计算法

本发明属于火箭、导弹节能发射装置及节能计算方法。它把火箭、导弹(以下总称火箭)发射初期的静止到缓缓上升阶段所浪费的大量高速喷气的动能转变为势能反过来推动火箭运动，大大提高了火箭发射初期的效率；并可将火箭体内的一部份推进剂转移到该发射筒的燃气发生器上来，减轻了火箭的负荷，在相同的推力下，又大大提高了火箭加速度，更由于减少了火箭惯性质量，有利于控制指挥；本节能计算法尤其能避免现有计算法所浪费的大量推进剂。

目前研制的火炮助推火箭，是把火箭当作炮弹放于炮管里，然后点燃炸药爆炸推动火箭从炮管里像炮弹一样猛烈发射出去，然后再开动火箭，以较高的效率进一步加速。但是，它存在着许多技术难题，由于火炮发射过程是个极为猛烈的加速过程，所以从炮管中发射的火箭所承受的载荷要比通常的火箭严重好几百倍，因此，主要的难题是：1、火箭装药在低温下一般变得特别脆，不能承受这一剧烈的加速冲击；2、火箭上的精细仪器设备，目前尚未能适应这巨大的加速冲击。(摘自何柱《火箭与导弹》北京科学出版社、1978、221页)

再举另一技术背景：第二次世界大战时纳粹德国曾研制了“超级多节远程大炮—V—3”，它是在长长的主炮身两侧布置多节火药室，各节火药室之间呈水平布置或倾斜的V型布置，发射时，最下面的火药室点火后，炮弹开始向前运动，炮弹在经过每个火药室时，各火药室都适时地点火爆炸燃烧，产生的压力相继地推动炮弹加速。这种火炮具有许多优点，例如各火药室的爆炸压力可以较低，从而炮身的耐压能力可以较低，但它的缺陷也是非常明显的，因随着炮身节数的增加，各火药室点火正时的控制越来越困难，致使各火药室的助推作用根本没有充分发挥出来，甚至只有少数几个火药室起了作用。(摘自《军事展望》2000年第一期，主办单位：中国人民解放军军事统筹学会、军事未来研究会。)

对照以上二个技术背景：火炮助推火箭是单个瞬间大爆炸给火箭猛烈大加速，造成火箭装药和仪器不能相适应；超级多节远射程大炮—V—3是多个间隔瞬间小爆炸给炮弹逐次加速，但它存在各火药室所产生的推力不能充分发挥。

本发明的目的是提供新的火箭、导弹节能发射装置和节能计算法。该装置能在满足火箭装药和仪器的苛刻条件下，大大提高火箭发射初期的效率：而节能计算法又可避免浪费大量的推进剂，又减轻了火箭惯性质量，更便于控制指挥。

本发明的目的是由被动型和主动型二个发射装置和一个计算方法实现的：

1、被动型火箭导弹节能发射筒：在一个连固于构架上的长筒(为了更大地提高火箭效率，可尽量加长发射筒长度)的底部设有一可开关的活门，当把待发射的火箭装入筒后，可把活门关闭，火箭在发射筒呈气缸与活塞般滑动配合，发射时，令火箭喷气工作，则高速喷气流受发射筒禁闭，燃气速度极低，根据质量守恒定律的连续方程ρVS=常数的原理。(摘自何柱《火箭与导弹》18页)。当喷气速度受到客观条件所减小时，其密度就相应增加，从而大大提高了气体流管的压力，也即大大提高了火箭推力室上所有压力沿推力室轴线的合力这个实质性的火箭推力；再根据动能分配规律：“如果不受外力的作用，相互作用而运动的两个物体，各自在这一系统中得到的动能与对方物体的质量成正比”。(摘自谢怀杰《火箭空气静力新探》广东经济出版社1999年版14面)。当火箭在筒里喷气运动时，可把火箭看作这一系统中的一个物体甲方，喷气分子受到发射筒的禁闭把压力作用于发射筒，把发射筒和地球(发射筒和地球相连接)组成一体，成为这一系统中另一方的物体乙方，由于乙方的质量大大大于甲方的质量，故火箭体在这一运动系统中吸收的动能就大大高于喷气分子吸收的动能。

本装置适用于尾翼可折叠的单枚火箭发射，当固定尾翼或捆绑式火箭的发射时可采用设置有气封环的开有一至几个与火箭喷口相适应的通孔的推力活塞套于火箭的尾部，推力活塞与发射筒呈汽缸与活塞配套样式，当火箭在发射筒里发射时，活塞起着禁闭燃气不致逆流喷出筒口，当活塞连同火箭射出筒口后，可用自带的降落伞将活塞慢速降落。

2、主动型火箭导弹节能发射筒，它是在被动型的基础上增设了燃气发生器，在相同的火箭射程下，将原有火箭体中的一部份推进剂转移到发射筒的燃气发生器中来，并可在适当情况下，加大发射功率，大大提高发射初速。发射火箭时，将火箭置于筒里燃气发生器上部，然后令燃气发生器产生高压燃气发射火箭，燃气压力可视火箭装药和仪器适应程度自由控制，在适当时刻再令火箭喷气飞行，它充分发挥了推进剂能量：更由于它将一部份推进剂从箭体上转移到发射筒中来，大大减轻了火箭的惯性质量，在相同的推力下，提高了加速度；并由于火箭质量减少而更便于控制飞行。

当固定尾翼或捆绑式火箭要发射时，可采用推力活塞配套于火箭尾部，但可不必开供火箭喷气的开口，这时，发射筒产生的高压燃气推动活塞带动火箭发射。

3、节能计算法

下面是节能计算法的科学依据

首先，本人将拙著《火箭空气静力新探》一书浓缩并指出原火箭空气静力理论出现的“火箭科学悖论”，指出空气静力项的错误，建立新的空气静力理论来作为火箭节能计算依据。

关于原有火箭推力方程的空气静力理论的两个命题：

命题1、根据“以超音速运动的物体所产生的压力变化不能波及到物体的前方(换句话说：扰动源向上游发出信息受到禁止)的声波传播规律的“禁信原理”得出：“火箭的喷气流是超音速气流，外界压力扰动不能逆流前传，因而推导出空气静力只作用于推力室的外表面，而不作用于推力室的内表面”，也就是说由于空气的存在产生了空气静力，空气的存在削弱了喷气产生的推力。(其代表性的著作是：由苗瑞生、居贤铭教授著的《火箭气体动力学》，国防工业出版社、1985年版、76页、80页)

命题2、“火箭的推力和大气压强有关，空气压强高，气体在喷口受到的阻力大，向后喷出的气流速度较小，从而使火箭只得到较小的向前的动量，即推力要小些；空气压强低，气体在喷口受到的阻力小，向后喷出的气流速度较大，从而使火箭得到较大推力”。(其代表性的著作有：由漆安慎、杜婵英教授著的面向21世纪高等院校教材《力学》。高等教育出版社、1999年6月版、97页)

这两个命题表面上看起来命题2是支持命题1的，然而却在其中出现了矛盾，命题2是否定命题1的!

下面是揭露这两个命题自相矛盾的所在：

首先，我们先列出原火箭推力理论中的真实命题。

真实命题A火箭推力实质上是作用在推力室上所有压力沿推力室轴线的合力。

真实命题B喷口每秒的喷气质量和喷气速度的乘积MV是利用动量定律进行变通的火箭推力计算方法。

我们再来理解命题2所表达的实际蕴涵：

“火箭外部空气静压高时，降低了喷气流的速度，使火箭得到较小的向前的动量，即推力要小些。”我们根据真实命题A和B，火箭外部空气静压必然会反映为推力室上所有压力沿推力室轴线的合力降低，即气体压力作用于推力室内壁的前后压力差降低，而内壁面积是一定的，推力室内的压强必降低。尽管该命题的实际蕴涵是：空气静压高时，反过来使推力室内的压强变低，而空气静压低时却使推力室内的压强变高，但总能得出该命题表明空气静压的变化能够使推力室内的压力随着起了变化!

如果说命题2所表明的空气静压的变化能够使推力室内的压力随着起了变化是真的，则证明了命题1是假的!

如果说命题1所表明的空气静力的变化不能通过超音速气流进入推力室的内表面是真的，则命题2所说的空气静力的高低变化就不能影响推力室内的压力进行相反的低、高变化!

这又证明命题2是假的。

由此，证明了原有火箭推力方程空气静力理论是同时肯定两个互相否定的论断，原有火箭空气静力理论是一个“火箭科学悖论”。

我认为这一“科学悖论”的排除，只有重新建立更接近真理的火箭空气静力理论，才有可能使该方程与其它自然规律和谐、统一，使其符合宇宙具有内在美这个科学探索的优美观念。

下面是对火箭空气静力的简要判断：

1、根据连续方程(质量守恒定律)ρVS=常数，和动量定律ρVS·t·(v₂—v₁)=F·t，空气静压在通过降低喷气速度V时是能够提高喷气流流管的密度这个环节反映进火箭推力室的。

而且火箭燃烧室里的燃气生产率是恒定的，燃气受空气阻碍而排出困难时，将使室内燃气积压，密度提高，压力就随着提高，这提高的成因就是空气的存在才产生的。

而原方程对该项的推导和论证是犯了同一律的“混淆概念”和类比推理中的“机械类比”的逻辑错误!因为它把“空气静力”和“声波”这两个物理概念等同起来，并认为空气静力的“传播”速度等于声速这一偶有属性，就用声波不能逆流向超音速气流的上游传播的“禁信原理”来进行类比推理，得出空气静力不能通过超音速喷气流传递进火箭推力室。然而，毕竟“空气静力”和“声波”是两个不同的科学概念，自有其最本质差别。声波的定义是：由于声源的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波。而空气静压的定义是：某一点的空气静压是从该点延伸到大气边缘一个单位截面积的空气柱的重量。空气静压相对于声波的压力大小交替变化来说，其压力是恒定的。因此，不能把大气静压对另一物体的作用等同于声波对另一物体的作用称作小扰动。因为扰动的意思是：“流场中某一点或某一区域的气流参量发生了变化叫做扰动。扰动的物理来源是多种多样的。例如活塞推动、阀门开闭、边界条件变化、局部燃烧和爆炸、气流相互冲击、飞行器运动等等。而扰动波是由于气体是一种弹性介质，某一区域的变化不会局限或冻结在那里，必然会一层一层地传播出去，扰动传播的分界面叫扰动波。气体中扰动波总是以有限大的速度传播并使所波及的区域内各点的气流参量相继随时间变化，形成非定常流动。(摘自《火箭气体动力学》、47页)。再从汉语词典中可知，扰动是动荡、骚动、干扰、搅动的意思。其对事物的作用力是大小常变的，而时间是断续的。

由此，可以肯定，量值相对恒定的空气静压对另一物体的作用不能称作扰动，空气静压通过一个物体传下去不能称传播，应该称传递。只有某一物体对另一物体作时断时续、力量大小常变的施力才能称扰动。而声波向空气传开去才可称传播，却不能称传递，这是不可混淆的。足见原火箭空气静力理论的推导来自于声波传播规律的“禁信原理”，它违反了同一律的“混淆概念”的错误。类比推理的结论只是可能真，而不是必然真，即其结论只能是或然性的。

只有当火箭被绳子牵动并以超音速被动前进时，后面的空气分子以声波的速度追不上火箭，形成推力室里的真空，才能用空气静力的“传播”速度等于声速的这一偶有属性。然而，在火箭喷气飞行的主动阶段，整个推力室里及喷气柱都是燃气分子，燃气分子在推动空气分子后移时，就按牛顿第三定律产生了作用力和反作用力，那么，这空气分子的反作用力不由燃气分子间的排斥力传递到推力室中去?这反作用力又消失于那里呢?

在现有气室实验中，气室内的气压是设为恒定的，而火箭推力室内的气压是能够变化的，它与燃烧室的燃气生产量大小和排气量大小密切相关，这是它们二者本质上的差别。

2、再根据现有科学界评价火箭推进效率随速度的变化的情况；火箭推进效率曲线会随着火箭飞行速度的增加开始上升而后又开始下降，其中有这样的推理：“试想，把火箭按住不动(即火箭的速度为零)，光是喷气(设喷气速度保持为某一定值)，当然由于火箭未被推进，故其推进效率为零。尔后，让火箭起飞，随着飞行速度的增大，其推进效率也越来越大，而且由于喷气总会或多或少地带着一部份动能离开火箭，故其推进效率总也达不到理想的最大值。但到了这样一个临界情况，即火箭速度等于喷气速度时，则火箭喷气一到喷口就不动了，也就是说喷口处的气体不再具有动能，而是它把自己的动能传给了火箭，喷气本身毫未浪费动能，所以这时的推进效率达到最大值(100％)，以后若火箭速度再提高，喷气就会具有一定的向前运动的速度(其值为火箭速度与喷气速度之差)，因而又浪费掉一部份动能，致使推进效率又要小于100％”。(摘自《火箭与导弹》、220页)

这是现有以能量守恒定律来分析的最好例子。

据此，我们再试想，把火箭放于一端关闭的长筒里，让火箭像活塞一样能在筒里自由滑动，当火箭喷气时，由于喷气受长筒禁闭，一出喷口就不动，同样地喷口处的气体不再具有动能，而是它把自己的动能转变成势能(压力)传给了火箭，喷气本身基本不浪费动能(严格地说，喷气及长筒连同地球也会向火箭运动方向相反的方向运动，只是相对极小罢了)。因此，火箭效率将基本达到最大值。而这正像火炮发射炮弹一样具有很高的效率。

我们再来分析当火箭在空气中飞行时，喷气受到喷口后部的空气分子的阻挡时的利害关系：当火箭喷气受到空气分子的包围而降低绝对速度，正表明了喷气分子少带走动能，把少带走的动能转变成势能(压力能)作用于火箭，提高了火箭的绝对速度，也即提高了火箭的推进效率，这时的空气分子(也是空气分子的存在所产生的空气静力)不正像火炮的炮身一样制约了喷气的运动，就能提高发射物的动能吗?这时喷口后部的空气分子被喷气带动确实是消耗了喷气的一部份动能，但这不正像炮身在后退时也消耗炸药的一部份能量一样吗，但它却能在增加该方的运动质量中，大大降低了整体的运动速度，从而使整体在系统中少吸收了动能，因为动能的表达式是和速度的平方成正比的!说空气分子阻碍了喷气的顺利喷出使速度减少，就认为M×V即推力减少的这个空气静力理论，是与能量守恒定律相悖的!

再以动量守恒定律来分析：火箭在真空中飞行时，火箭体是该运动系统中的A方，喷气分子是B方，则火箭体的动量(箭体质量×箭体速度)等于喷气分子的动量(每秒喷气分子的质量×喷气速度)；火炮发射时对动量守恒定律的体现是：炮弹的动量(炮弹的质量×速度)等于燃气及炮身这个组合体的动量(组合体的质量×组合体后退的速度)，只是在教科书中没有把炸药燃气的质量列入进去罢了，当火箭放于一端封闭的长筒里喷气时，由于喷气受长筒禁闭，没有了速度，燃气的动能基本转化为火箭运动的动能，则这时火箭的动量就应等于喷气分子连同长筒和长筒连于地球这一组合体的动量(新组合体的质量×新组合体的速度)!那么，火箭在大气中喷气飞行时，空气分子团团包围住喷气阻碍了喷气分子的运动，也有一部份被卷进去一齐向后运动，不也像一端密闭的长筒和炮身制约燃气的运动一样的道理吗?只是在程度上大小罢了。因此，火箭在大气中飞行时，火箭的动量应等于每秒喷气质分子和被卷进去参与运动的这部份空气分子这新组合体的动量(组合体的质量×组合体的速度)，这才是符合动量守恒定律的道理!原来认为喷气分子受空气分子减速就认为喷气一方的动量减少是形而上学的观点，既然承认空气分子使喷气速度减少这个结果，却不承认使喷气减速的空气分子质量这一原因，这是辩证法所不容许的!只有当推进剂燃烧不完全的自身因素所引起的速度降低才能使它的动量即推力减少！下面再作一个思维的“直觉实验”，设火箭在真空中喷气飞行，则火箭的动量等于喷气的动量，现在假设在火箭体上增加一具有质量的仪器，使火箭质量增加，理当是火箭的加速度减少了，按直觉，喷气的绝对速度应该是增加，也即喷气的动量应该是增加，这是很好理解的。但当一提到喷气分子的绝对速度受到空气这一客观外物的制约而减少时，就说火箭的动量即推力也减少呢!这不是片面地、形而上学的认识吗?

动量守恒定律是自然界最基本最普适的定律，任何一本高等力学教科书在论及该定律时，都把火箭和喷气这一运动系统作为典型的例子来说明。但一旦论及到喷气后部的空气及其静压参与到超音速喷气流一方时，却又反过来破坏了动量守恒定律，说超音速流体不同于亚音速流体。啊，当心形而上学!

为了明确火箭和空气的关系，本人在能量守恒定律、动量守恒定律的基础上，提出了动能分配定律，这定律特别把两个相互作用的物体的质量强调提出来，明确肯定了各物体的质量在每个相互作用的运动系统中分得动能的“天赋质权”。当然，这离不开现有科学界有关这方面的成果。我只是把这一规律用条文表达成定律而已，但由于它的被明确提出来，将使得火箭和空气的关系有一个较科学的认识。

动能分配定律：

“如果不受外力作用，相互作用而运动的两个物体，各自在这一系统中得到的动能与对方物体的质量成正比”。

(详细的推导见拙著《火箭空气静力新探》)

这个定律着重指出物体的质量在相互作用而运动的系统中的关键性作用。

因此，火箭在喷气飞行时，空气分子参加进了喷气行列的运动，增大了喷气一方的质量是能够提高对方即火箭吸收的动能的。

原火箭的空气静力理论的命题1是用“禁信原理”和在进行“类比推理”时是犯了同一律的“混淆概念”和“机械类比”的错误；而其命题2是用形而上学的观点认为空气分子阻碍了喷气而使其速度减少，造成推力下降，是违反了唯物辩证法的!而由此所建立的方程式是不符合宇宙具有内存美的科学探索原则的，保罗·狄拉克道：“让方程式优美比让方程式符合实验更重要…因为差异可能是由于未能适当地考虑一些小问题造成的，而这些小问题将会随着理论的发展得到澄清”。

在现有的火箭真空模拟实验中，随着火箭外部大气压的降低，喷气推力表面上看来确实是提高的，但这提高的实质是由于火箭喷气口和燃气室的背压随着外部大气压的降低而降低，这使得推进剂的供应系统由于喷口背压降低而提高了供油量，加大了燃气生产率，推力自然是增大了，却被误认为喷口背压降低时使喷气推力提高所致；表象上也符合火箭喷口后部的空气静压不能进入推力室内部，不能与推力室外部的空气静压相平衡所致。

所以，正确的认识是：喷口后部的空气分子(及其存在而产生的静压力)对喷气产生推力是有利因素!

因此，原火箭推力方程式

P=MV_c+ρ_cσ_c—ρ_aσ_c    应改为

P=(M+M₁)V_c+ρ_cσ_c

其中M₁为每秒参加进喷气行列的空气分子的质量。

严格地说，空气分子也会受箭体的带动而随箭体一起运动，但由于箭体的质量相对于喷气每秒质量流量来说占绝对优势，故空气增加喷气质量的比率大大大于空气增加箭体的质量的比率，使得空气增加喷气质量的作用占绝对优势!其优势的量值有待进行技术测定。

作为一级近似，火箭推力方程式可为

P=MV_c+ρ_cσ_c

原来火箭在一个大气压下飞行时，其计算推进剂是考虑了15％的空气静压的负值，这是错误的，造成箭体额外运载这15％的推进剂到目的地白白扔掉，由于箭体到目的地后都是爆炸掉，不易发现这多余的推进剂，不但浪费了15％的燃料，还由于要将这部份燃料带到目的地，又必须多燃烧燃料产生推力来推动它，这样的雪上加霜，大大浪费了推进剂。

下面结合附图和实施例对本发明各型号的火箭节能发射筒及节能计算法进一步说明。

1、图1是本发明的被动式单枚火箭折叠翼型节能发射筒的结构示意图。

图1中    1、火箭被动节能发射筒    2、发射筒底部活门    3、火箭4、折叠尾翼

在图1，表示了把火箭(3)装于发射筒(1)内(发射筒可连固于构架上)，然后关闭活门(2)，当火箭点火发射时，喷气受到发射筒的禁闭，基本上不消耗喷气的动能，原来喷气消耗的动能转变为势能(压力)，燃气压力大为提高，推动了火箭向前运动，大大提高了火箭的效率。

2、图2是被动式固定翼、捆绑式火箭节能发射筒结构示意图。

图2中    5、推力活塞    6、固定翼

在图2，推力活塞(5)是与发射筒呈汽缸和活塞般滑动配合的，推力活塞设置有气封环，用以禁闭燃气不外流，活塞的推力面开有与火箭喷口相适应的通气孔，可让火箭的喷气通过该孔进入发射筒推力室把燃气动能转变为势能推动活塞带动火箭运动。这里推力活塞的功能是起了封闭固定翼或捆绑式火箭体外边各个横截面间的空间的。

3、图3是主动型火箭节能发射筒结构示意图。

图3中    7和8是液体推进剂供应系统    9、燃烧室

在图3中，推力活塞(5)的推力面是没有开孔的，推进剂供应系统(7)和(8)把推进剂供给燃烧室燃烧产生高压燃气推动活塞带动火箭运动。该型发射筒的推进剂也可以是固体或固、液体二者兼而有之。由于推力活塞将发射筒燃烧室与箭体隔离，故可用较火箭大得多的功率发射火箭，更可在相同的射程下，可将一部份推进剂从箭体上转移装于发射筒上来，减轻了箭体惯性质量，在相同的推力下，大大增加了加速度，又节省了推动这转装于发射筒的推进剂的质量的所须燃料。

4、节能计算法的计算实施例如下：

原来火箭在计算克服地心引力、空气阻力和所须加速度等推力总和所须要的推进剂量，考虑到推力方程式中空气静力项的15％的负值，就必须增加17。6％的推进剂，又由于要将这17。6％的燃料及其所须容器运载到目的地，又必须至少多燃烧掉17。6％的85％比例即14。9％的推进剂，二者共浪费了32％的推进剂。

若采用本节能计算法，无须考虑这15％的空气静压负值，在火箭相同的航程下，只须原来68％的推进剂就能完成。

Claims (1)

1. 一种火箭导弹节能发射筒及节能计算法，在一个可容火箭、导弹在内运动的长筒的下端有一可供开关的活门，主动型发射筒的技术特征是：在长筒的底部设置有燃气发生器及燃料供应系统，在燃气发生器上方置一推力活塞与长筒作滑动配合。发射时，燃气发生器产生燃气推动活塞带动火箭、导弹运动；被动型发射筒的特征是：在发射筒的内部设置一推力活塞，活塞推力面上开有与火箭喷口相连通的通气孔；当火箭的尾翼可折叠时，则其特征是发射筒与火箭主体呈活塞与汽缸般配合，把火箭当作活塞，并由火箭自身产生的燃气在发射筒里把喷气动能转变为势能推动火箭运动；

   计算火箭推进剂用量的理论依据P＝MV_c+ρ_cσ_c—ρ_aσ_c，本节能计算法计算推进剂用量的理论依据的特征是P=MV_c+ρ_cσ_c。

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