[科普中国]-发射效率

双极型晶体管的发射效率是指有效注入电流在总的发射极电流中所占的比例。

以NPN管为例，定义发射效率为发射极电子电流与发射极电流的比，其中发射极电流等于电子电流与空穴电流之和。表达式为：

γ0=Ine/IE=Ine/(Ine+Ipe)

火箭发射效率及其提高途径通过对固体火箭自力发射与弹射发射效率的计算与对比研究，发现采用弹射技术的火箭弹，随着离轨的提高，火箭发射效率得到大幅提升，同时也获得了增程和提高密集度指标的效果。1

火箭自力发射效率的计算已知某火箭弹初始质量 66kg，发射药质量 20kg，正常燃烧时间为2s，燃烧时燃气流出喷口速度为2000m/s，火箭离轨速度为49m/s，火箭弹从点火至离轨耗时0.15s，推力19500N，以45°角发射。定向器长度为3m，后燃烧室壳体外径为121mm，后燃烧室壳体内径为117.25mm，燃烧室壳体长度为980mm，装药长度为 894mm。

在0～ 0.15s这 段时间里，火箭弹启动至离轨，其发射效率仅能达到4.25%。1

火箭弹射发射效率的计算采用弹射作为火箭发射的一级动力，使其达到一定的离轨速度，而火箭自身发动机延迟点火以维持继续飞行。

以火箭弹为例，火箭弹在定向器中运动时间为0.15s，燃烧的火药质量为1.5kg，由于火箭弹在定向器中的运动采用弹射作为动力，故可将这部分火药取出作为弹射的能源，从而可减少发动机燃烧室长度，达到减重的目的。1

0.15s内燃烧的火药质量为1.5kg，由于药柱质量均匀分布，故可减少的药柱长度为134.1mm，则发动机后燃烧室长度也能减少134.1mm。通过M =ρV=π(R2 -r2)L(式中：R为后燃烧室壳体外径 ；r为后燃烧室壳体内径 ；L为截取的长度 ；ρ为7.8g/cm3)可得出截取的这部份燃烧室壳体体积为8787cm3，质量为0.685kg。

故总共减重为0.685+1.5=2.185 kg，弹体剩余质量为66-2.185=63.815kg。

剩余火药质量为20-1.5=18.5kg，火药燃烧时间为2-0.15=1.85s。

当弹射使离轨速度达到100m/s时火箭弹离轨效率提升至9.58%。

若采用自力发射使火箭弹速度达到150m/s所需要的时间为t=0.481s，此段时间燃烧的火药质量为4.81kg。 由同样的计算方法可以得出：弹体剩余质量为58.84kg，火药燃烧时间为2-0.481=1.519s。在火箭弹离轨速度为150 m/s的情况下，若选用质量为m1 =63.815kg的火箭弹A，对比于自力发射能达到更远的射程，若选用m2 =58.84 kg的火箭弹B，则在总射程不变的同时，由于发射效率更高，可显著节省推进药，减少无效重量。1

一种提高卫星光通信终端发射效率的新方法在采用同轴反射式光学天线的卫星光通信终端中，发射光束受天线次镜的遮挡，将损失部分能量。为消除次镜遮挡，提高光通信终端的发射效率，提出一种基于衍射光学元件的新方法。该方法利用衍射原理将光束整形为圆环光束，以规避次镜遮挡。 按照遮挡比和切断比固定和变化这两类情况进行了仿真设计。 前一类仿真结果表明： 当遮挡比为15，切断比为1.5时，远场强度峰值提高40%。后一类情况的仿真结果则表明： 遮挡比越大。系统透过率和远场峰值强度越高，远场光束的主瓣宽度和强度峰值相对增量则分别变窄和变低；切断比越大，强度峰值的相对增 量也越大。该方法提高了卫星光通信系统发射端的发射效率，同时也改善了接收端的光束质量。2

数值仿真由于利用衍射光学元件进行光束整形的过程中没有能量消耗，因此对比整形前后，卫星光通信终端发射效率的提高以及光束总的提升都是显而易见的结果。然而，对于整个卫星光通信链路来说，最重要的是卫星光通信接收端的光束质量是否有所改善。为考察整形前后卫星光通信接收端的光束质量变化，采用能量峰值相对增量η表征接收端光束质量的改善程度。η定义为整形前整形后的进场（即光发射机所在平面）光束在远场（即光接收机所在平面）的能量峰值的相对增量。

在光通信发射端，光学天线的遮挡比和光束的切断比都将对输出光束的形状造成一定影响，因此有必要讨论光束远场分布随遮挡比和切断比的变化。2

遮挡比与远场分布的关系当遮挡比M不同时，设计结果将发生变化，保持其他参数不变，取切断比σ=1，5，考察M变化时的远场强度分布。整形后的光束在远场的绝对强度分布随遮挡比的变化情况。 随着M的增加，远场光束强度分布的主瓣变窄，强度峰值变大，总能逐渐增加。遮挡比变化时，受遮挡的高斯光束和整形后的环形光束的远场相对强度分布的相应 变化。随着M的增加，η逐渐减小，当M为5，10，15，20时，相应的，分别为117.8%，55.0%，41.6%，32.9%2

切断比与远场分布的关系当切断比σ不同时，设计结果也将发生变化，保持其他参数不变，取遮挡比M=10，考察σ变化时的远场强度分布。整形后的光束在远场的绝对强度分布随切断比的变化情况。 随着σ的增加，整个远场光束强度分布整体降低，总能量随之减小，但各个极值点的位置保持不变。切断比变化时，受遮挡的高斯光束和整形后的环形光束的远场相对强度分布的相应变化。随着σ的增加，远场能量峰值相对增量，η亦逐渐增加，当σ为0.5，1，1.5，2时，相应η的分别为5.1%，18.6%，55.8%，122.9%。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学