《Fundamentals of Aircraft and Rocket Propulsion》

请叫我雷锋

《Fundamentals of Aircraft and Rocket Propulsion》
飞机和火箭推进基本原理
作者：
Ahmed F. El-Sayed
Department of Mechanical Engineering
Zagazig University
出版社：Springer
出版时间：2016年

《Fundamentals of Aircraft and Rocket Propulsion》

《Fundamentals of Aircraft and Rocket Propulsion》

《Fundamentals of Aircraft and Rocket Propulsion》

《Fundamentals of Aircraft and Rocket Propulsion》

目录
1 Classifications of Aircrafts and Propulsion Systems . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Classifications of Aircrafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Aerostats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Aerodynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 Fixed Wing Aircrafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.5 Rotorcrafts (Rotor-Wing Aircrafts) . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.6 Hybrid Fixed/Rotary Wings . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.2.7 Other Methods of Lift Aircrafts . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.3 Classifications of Propulsion Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.1 External Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.2 Internal Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.3.3 Other Power Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2 A Review of Basic Laws for a Compressible Flow . . . . . . . . . . . . . 91
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.2 System and Control Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.3 Fundamental Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.3.1 Conservation of Mass (Continuity Equation) . . . . . . 94
2.3.2 Linear Momentum (Newton’s Second Law) . . . . . . 96
2.3.3 Angular Momentum Equation (Moment
of Momentum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.4 Energy Equation (First Law
of Thermodynamics) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.3.5 The Second Law of Thermodynamics
and the Entropy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.3.6 Equation of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
xiii
2.4 Steady One-Dimensional Compressible Flow . . . . . . . . . . . . . 114
2.4.1 Isentropic Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.4.2 Sonic Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.4.3 Classification of Mach Regimes . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.4.4 Diffusers and Nozzles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.4.5 Shocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
2.5 Rayleigh Flow Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
2.6 The Standard Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3 Performance Parameters of Jet Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.2 Thrust Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.3 Factors Affecting Thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.3.1 Jet Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.3.2 Air Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.3.3 Mass Air Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.3.4 Altitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.3.5 Ram Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.4 Engine Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.4.1 Propulsive Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.4.2 Thermal Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3.4.3 Propeller Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.4.4 Overall Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.4.5 Takeoff Thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.4.6 Specific Fuel Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.4.7 Aircraft Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.4.8 Range Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.4.9 Endurance and Endurance Factor . . . . . . . . . . . . . . 205
3.4.10 Mission Segment Weight Fraction . . . . . . . . . . . . . 206
3.4.11 Head- and Tail-Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.4.12 Route Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.4.13 Specific Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4 Piston Engines and Propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.2 Intermittent (or Piston) Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.2.1 Milestones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.2.2 Types of Aero Piston Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.3 Aerodynamics and Thermodynamics
of Reciprocating ICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4.3.1 Terminology for Four-Stroke Engine . . . . . . . . . . . 232
4.3.2 Air-Standard Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
4.3.3 Engine Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
xiv Contents
4.4 Aircraft Propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
4.4.2 Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
4.5 Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
4.5.1 Source of Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
4.5.2 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
4.5.3 Coupling to the Output Shaft . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
4.5.4 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
4.5.5 Number of Propellers Coupled to Each Engine . . . . 269
4.5.6 Direction of Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
4.5.7 Propulsion Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.5.8 Number of Blades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.6 Aerodynamic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
4.6.1 Axial Momentum, (or Actuator Disk) Theory . . . . . 274
4.6.2 Modified Momentum or Simple Vortex
Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
4.6.3 Blade Element Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . 282
4.7 Dimensionless Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
4.8 Typical Propeller Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
4.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
5 Pulsejet, Ramjet, and Scramjet Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
5.1 Introduction to Athodyd Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
5.2 Pulsejet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
5.2.2 Brief History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
5.2.3 Valved Pulsejet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
5.2.4 Thermodynamic Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
5.2.5 Valveless Pulsejet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
5.2.6 Pulsating Nature of Flow Parameters
in Pulsejet Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
5.2.7 Pulse Detonation Engine (PDE) . . . . . . . . . . . . . . . 330
5.3 Ramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
5.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
5.3.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
5.3.3 Aero-Thermodynamic Analysis of Modules . . . . . . 341
5.3.4 Aero-thermodynamic Analysis of Ramjet
Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.3.5 Nuclear Ramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
5.3.6 Double Throat Ramjet Engine . . . . . . . . . . . . . . . . 362
5.4 Scramjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.4.2 Evolution of Scramjets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
5.4.3 Advantages and Disadvantages of Scramjets . . . . . . 367
5.4.4 Aero-Thermodynamic Analysis of Scramjets . . . . . . 367
Contents xv
5.4.5 Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
5.4.6 Dual-Mode Combustion Engine
(Dual Ram-Scramjet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
6 Turbine-Based Engines: Turbojet, Turbofan, and Turboramjet
Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
6.2 Turbojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
6.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
6.2.2 Milestones of Turbojet Engines . . . . . . . . . . . . . . . 407
6.2.3 Thermodynamic Cycle Analysis of a Single
Spool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
6.2.4 Performance Parameters of a Single Spool . . . . . . . 416
6.2.5 Important Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
6.2.6 Double-Spool Turbojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
6.2.7 Thermodynamic Analysis of Double-Spool
Turbojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
6.2.8 Performance Parameters of Double-Spool
Turbojet Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
6.2.9 Micro-turbojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
6.3 Turbofan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.3.2 Milestones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
6.3.3 Classifications of Turbofan Engines . . . . . . . . . . . . 446
6.3.4 Forward Fan Unmixed Double-Spool
Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
6.3.5 Forward Fan Mixed-Flow Engine . . . . . . . . . . . . . . 461
6.3.6 Forward Fan Unmixed Three-Spool Engine . . . . . . . 471
6.4 Turbine-Based Combined-Cycle (TBCC) Engines . . . . . . . . . 479
6.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
6.4.2 Historical Review of Supersonic and Hypersonic
Aircrafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
6.4.3 Technology Challenges of the Future Flight . . . . . . 486
6.4.4 Propulsion System Configurations . . . . . . . . . . . . . . 486
6.4.5 Performance of TBCC (or Hybrid Engine) . . . . . . . 490
6.4.6 Cycle Analysis of Turboramjet (or TBCC)
Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
6.4.7 General Analysis for a Turboramjet Engine . . . . . . . 498
6.4.8 Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
6.4.9 Future TBCC Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
xvi Contents
7 Shaft Engines Turboprop, Turboshaft, and Propfan . . . . . . . . . . . 531
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
7.2 Turboprop Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
7.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
7.2.2 Milestones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
7.2.3 Thermodynamics Analysis of Turboprop
Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
7.2.4 Equivalent Engine Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
7.2.5 Fuel Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
7.2.6 Analogy with Turbofan Engines . . . . . . . . . . . . . . . 552
7.3 Turboshaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
7.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
7.3.2 Examples for Turboshaft Manufacturers
and Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
7.3.3 Thermodynamic Analysis of Turboshaft Engines . . . 556
7.3.4 Power Generated by Turboshaft Engines . . . . . . . . . 557
7.4 Propfan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
7.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
7.4.2 Historical Hints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
7.4.3 Classifications of Propfans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
7.4.4 Comparisons Between Turboprop, Propfan,
and Turbofan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
8 Stationary Modules Intakes, Combustors, and Nozzles . . . . . . . . . 589
8.1 Intake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
8.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
8.1.2 Power Plant Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
8.1.3 Inlet Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
8.1.4 Subsonic Intakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
8.1.5 Supersonic Intakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
8.1.6 Hypersonic Inlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
8.1.7 Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646
8.2 Combustion Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
8.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
8.2.2 Types of Combustion Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . 653
8.2.3 Components of Combustion Chamber . . . . . . . . . . . 658
8.2.4 Aerodynamics of Combustion Chamber . . . . . . . . . 661
8.2.5 The Chemistry of Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . 665
8.2.6 The First Law Analysis of Combustion . . . . . . . . . . 668
8.2.7 Combustion Chamber Performance . . . . . . . . . . . . . 669
8.2.8 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
8.2.9 Aircraft Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
8.2.10 Emissions and Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674
8.2.11 Afterburner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675
Contents xvii
8.3 Exhaust Nozzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
8.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
8.3.2 Operation of Nozzles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680
8.3.3 Performance Parameters of Nozzles . . . . . . . . . . . . 681
8.3.4 High-Speed Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700
9 Centrifugal and Axial Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
9.2 Centrifugal Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
9.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
9.2.2 Layout of Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706
9.2.3 Classification of Centrifugal Compressors . . . . . . . . 708
9.2.4 Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711
9.2.5 Slip Factor (σ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
9.2.6 Types of Impeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724
9.2.7 Impeller Isentropic Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
9.2.8 Radial Impeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733
9.2.9 Diffuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735
9.2.10 Prewhirl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737
9.2.11 Discharge System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742
9.2.12 Compressor Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742
9.2.13 Surge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
9.3 Axial Flow Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747
9.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747
9.3.2 Comparison Between Axial and Centrifugal
Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750
9.3.3 Mean Flow (Two-Dimensional Approach) . . . . . . . . 752
9.3.4 Basic Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763
9.3.5 Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 770
9.3.6 Real Flow in Axial Compressor . . . . . . . . . . . . . . . 773
9.3.7 Simplified Radial Equilibrium Equation (SRE) . . . . 775
9.3.8 Conceptual Design Procedure for Axial
Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794
9.3.9 Blade Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808
9.3.10 Choice of Airfoil Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812
9.3.11 Compressor Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813
9.4 Centrifugal and Axial Compressors Material . . . . . . . . . . . . . 818
9.5 Closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837
10 Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 839
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 839
10.2 Axial Flow Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 840
10.2.1 Flow Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 840
10.2.2 Euler Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841
xviii Contents
10.2.3 Efficiency and Pressure Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . 843
10.2.4 Loss Coefficients in Nozzle and Rotor . . . . . . . . . . 845
10.2.5 Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846
10.2.6 Free Vortex Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 858
10.2.7 Turbine Cooling Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867
10.2.8 Guide Lines for Axial Turbine Design . . . . . . . . . . 870
10.2.9 Turbine Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872
10.3 Radial Flow Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873
10.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873
10.3.2 Aero-Thermodynamics of Radial Inflow
Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873
10.3.3 Recommended Design Values for Radial Inflow
Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879
10.3.4 Radial Versus Axial Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . 880
10.4 Gas Turbine Engine Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885
10.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885
10.4.2 Compatibility Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885
10.4.3 Single Shaft Gas Turbine Engine . . . . . . . . . . . . . . 886
10.4.4 Off-Design of Free Turbine Engine . . . . . . . . . . . . . 888
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905
11 Rocket Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907
11.2 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908
11.2.1 Important Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908
11.2.2 Future Plans of Rocket and Space Flights
(2014 and Beyond) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912
11.3 Classifications of Rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912
11.3.1 Method of Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912
11.3.2 Types of Missiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912
11.3.3 Launch Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913
11.3.4 Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914
11.3.5 Number of Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914
11.3.6 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914
11.4 Rocket Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914
11.4.1 Thrust Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915
11.4.2 Effective Exhaust Velocity (Veff) . . . . . . . . . . . . . . 915
11.4.3 Exhaust Velocity (ue) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919
11.4.4 Important Nozzle Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920
11.4.5 Characteristic Velocity (C*) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922
11.4.6 Thrust Coefficient (CF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922
11.4.7 Total Impulse (It) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924
11.4.8 Specific Impulse (Isp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924
11.4.9 Specific Propellant Consumption . . . . . . . . . . . . . . 929
11.4.10 Mass Ratio (MR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 929
Contents xix
11.4.11 Propellant Mass Fraction (ζ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 929
11.4.12 Impulse-to-Weight Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 930
11.4.13 Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 930
11.5 The Rocket Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933
11.5.1 Single-Stage Rocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933
11.5.2 Multistage Rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937
11.5.3 Rocket Equation for a Series Multistage
Rocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 938
11.5.4 Rocket Equation for a Parallel Multistage
Rocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 940
11.5.5 Advantages of Staging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 940
11.5.6 Disadvantages of Staging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941
11.6 Chemical Rocket Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945
11.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945
11.6.2 Performance Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945
11.7 Solid Propellant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946
11.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946
11.7.2 Composition of a Solid Propellant . . . . . . . . . . . . . 948
11.7.3 Basic Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949
11.7.4 Burning Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 950
11.7.5 Characteristics of Some Solid Propellants . . . . . . . . 958
11.8 Liquid-Propellant Rocket Engines (LREs) . . . . . . . . . . . . . . . 959
11.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959
11.8.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 960
11.8.3 Propellant Feed System of LREs . . . . . . . . . . . . . . 961
11.8.4 Liquid Propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962
11.8.5 Fundamental Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965
11.8.6 Pump-Fed System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 968
11.8.7 Rocket Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972
11.8.8 Pump Materials and Fabrication Processes . . . . . . . 973
11.8.9 Axial Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974
11.9 Hybrid Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976
11.9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976
11.9.2 Mathematical Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 978
11.9.3 Advantages and Disadvantages of Hybrid
Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 980
11.10 Nuclear Rocket Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981
11.11 Electric Rocket Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982
11.11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982
11.11.2 Electrostatic Rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983
11.11.3 Electrothermal Rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983
11.11.4 Electromagnetic Rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 990
xx Contents
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993
Appendix A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993
Appendix B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994
Appendix C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996
Appendix D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003


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