Rocket and Spacecraft Propulsion pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Turner, Martin J. L.

出品人:

页数:313

译者:

出版时间:

价格:$99.00

装帧:HRD

isbn号码:9783540221906

丛书系列:

图书标签:

• 火箭推进
• 航天器推进
• 推进系统
• 航空航天工程
• 热力学
• 流体力学
• 燃烧
• 推进剂
• 火箭发动机
• 航天技术

航天器推进系统设计与应用：深入探索前沿技术与实践 本书旨在全面、深入地探讨现代航天器推进系统的设计原理、关键技术、性能评估及未来发展方向。它不仅仅是一本教科书，更是一本面向工程实践和科研探索的综合性参考手册。 本书的结构精心组织，从最基础的物理学原理出发，逐步深入到复杂的工程实现层面，确保读者能够建立起完整、系统的知识体系。 第一部分：推进系统基础与热力学原理 本部分聚焦于推进系统的理论基石。我们将从牛顿运动定律在航天动力学中的应用开始，阐述动量守恒在火箭推力产生中的核心地位。 1.1 推进剂基础化学与能量转化： 详细分析了各类化学推进剂（液体、固体、混合剂）的能量密度、燃烧特性和环境兼容性。涵盖了化学反应动力学在燃烧室设计中的作用，以及如何通过精确控制混合比来优化性能指标，如比冲（$I_{sp}$）和有效载荷比。我们深入探讨了热化学计算方法，特别是如何利用NASA CEA（Chemical Equilibrium with Applications）等工具来预测燃烧产物的温度和分子组成。 1.2 气体动力学与喷管设计： 这是实现高效推力的关键环节。本章详细解析了等熵膨胀理论、激波与马赫数的关系，以及如何利用拉瓦尔喷管（De Laval Nozzle）实现燃气在亚音速、跨音速和超音速区域的精确加速。着重分析了喷管的优化设计，包括扩张比的选择、喉部面积控制，以及在不同大气压力（或真空环境）下性能的动态变化。对非平衡流动的热力学效应也进行了探讨。 1.3 推进系统性能指标体系： 系统性地界定了衡量推进系统效率的核心参数，包括比冲 ($I_{sp}$)、推力系数 ($C_F$)、推进效率 $(eta_p)$ 以及整体的质量效率。通过实际案例分析，演示了这些参数如何相互关联，并指导工程师在设计权衡中做出最优选择。 --- 第二部分：化学推进系统：从火箭发动机到空间推进 化学推进是目前应用最广泛、技术最成熟的航天动力形式。本部分将深入剖析不同类型化学发动机的构造、工作机制与工程挑战。 2.1 液体火箭发动机 (LRE) 深度剖析： 详细分解了LRE的四大核心子系统：推进剂储存与输送（包括低温推进剂的绝热挑战）、涡轮泵组件（轴承设计、叶轮气蚀防护）、燃烧室（冷却技术如再生冷却、膜式冷却）和喷管系统。重点分析了压力涡轮驱动器的设计，包括其启动顺序、可靠性要求及热载荷管理。涵盖了单组元、双组元（如肼类、液氧/煤油、液氧/液氢）系统的具体实现差异。 2.2 固体火箭发动机 (SRM) 的结构与安全： SRM的设计侧重于高可靠性和长期储存性。本章探讨了推进剂药柱的浇铸工艺、粘合剂的选择，以及如何通过改变药柱几何形状（如星形、圆孔形）来精确控制推力曲线。结构方面，关注了复合材料壳体在高压高温环境下的应力分析、喷管烧蚀的预防以及点火系统的设计与安全冗余。 2.3 混合式与混合推进： 探讨了结合了液体燃料和固体氧化剂的混合式火箭的优势与挑战，尤其是在推力调节和可靠性提升方面的潜力。 --- 第三部分：先进与非化学推进技术 随着深空探测和高效率轨道转移需求的增加，非化学推进技术正成为研究热点。本部分详述了电推进、热推进及新兴的核动力推进概念。 3.1 电推进系统 (Electric Propulsion)： 这是实现高比冲、低推力任务的理想选择。本书详尽分析了三大主流电推进技术： 霍尔效应推力器 (HETs)： 深入剖析了磁场配置、等离子体生成机制、离子束流的电子中和技术，以及关键的阴极寿命挑战。 离子推力器 (Gridded Ion Thrusters)： 重点讲解了栅格电极的设计（如束流分离、离子溅射导致的寿命限制）和电源处理单元（PPU）的要求。 脉冲等离子体推力器 (PPT) 与磁等离子体动力学 (MPD)： 探讨了其在微小卫星和姿态控制中的应用潜力。 3.2 热推进系统： 包括核热推进 (NTR) 和太阳能热推进 (STP)。NTR部分重点讨论了反应堆堆芯材料（如石墨基或铀氧化物燃料元件）的选择，工作流体（通常为液氢）的加热过程，以及反应堆的安全屏蔽设计。 3.3 概念性推进技术： 简要介绍并评估了聚变推进、太阳帆（光压推进）以及高能脉冲推进等前沿概念的物理可行性和工程瓶颈。 --- 第四部分：系统集成、测试与可靠性工程 推进系统不仅是推力的来源，更是航天器关键的动态和热力学载荷中心。本部分关注系统层面的设计与验证。 4.1 推进剂管理与流体回路设计： 详细讨论了推进剂回路中的所有关键元件：阀门（截止阀、泄压阀、调节阀）的选型与响应时间，压力调节器的工作原理，以及管路设计中的热应力、振动载荷和材料兼容性问题。流体瞬态分析在启动和关机过程中的重要性被着重强调。 4.2 热管理与结构集成： 分析了推进系统工作过程中产生的巨大热流（尤其是燃烧室和电推力器的热量排放），以及如何利用推进剂本身进行再生冷却。结构方面，关注了发动机与火箭箭体连接处的载荷传递、高频振动分析（耦合POGO振动）和疲劳寿命预测。 4.3 试验、鉴定与在轨操作： 系统地介绍了地面测试的流程，包括真空室测试、振动和冲击测试、热真空测试。强调了数据采集系统的精度要求和测试故障诊断的步骤。在轨操作部分，涵盖了推进剂在轨加注/转移的挑战、姿态控制系统 (ACS) 中推进器的布局优化（力矩臂的计算）以及故障模式与影响分析 (FMEA)。 --- 本书的特色在于： 工程实用性强： 每一章节都结合了实际任务（如地球同步转移、深空探测器变轨）的参数要求，提供了大量的设计案例和计算示例。 跨学科整合： 融合了热力学、流体力学、材料科学和控制理论，为读者提供了一个多维度的视角。 前沿视角： 即使在成熟的化学推进领域，也涵盖了如增材制造在复杂部件制造中的应用，以及高密度能量储存技术的最新进展。 本书适合对象： 航空航天工程专业本科生、研究生，火箭和航天器设计工程师，以及对空间飞行器动力学感兴趣的科研人员。通过系统学习，读者将能够独立或参与设计、分析和评估下一代航天器的核心推进解决方案。

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