液體火箭發(fā)動機技術

1、與固體推進劑相比，液體推進劑與固體推進劑相比，液體推進劑優(yōu)點優(yōu)點：效率高（比沖高）；：效率高（比沖高）； 工作時間長；工作時間長； 推力矢量易于控制；推力矢量易于控制； 可反復啟動?？煞磸蛦?。缺點缺點：密度低；：密度低； 結構工藝復雜；結構工藝復雜； 準備時間長；準備時間長； 工作推力較低。工作推力較低?；貞洠汗腆w推進劑火箭發(fā)動機的優(yōu)缺點？固體推進劑火箭發(fā)動機的固體推進劑火箭發(fā)動機的優(yōu)點優(yōu)點a) 結構簡單結構簡單b) 使用操作簡便、安全使用操作簡便、安全c) 固體推進劑密度大固體推進劑密度大 缺點缺點a) 比沖低。比沖低。b) 推力矢量不易控制。推力矢量不易控制。c) 工作壓強高。工作壓強高

2、。 液體推進劑分類液體推進劑分類 單組元液體推進劑單組元液體推進劑 雙組元液體推進劑雙組元液體推進劑 有關推進劑還有：有關推進劑還有： 冷氣推進劑冷氣推進劑 低溫推進劑低溫推進劑 可貯存推進劑等可貯存推進劑等常見液體推進劑常見液體推進劑常見液體氧化劑常見液體氧化劑： 液氧（液氧（LO）：最常見，易蒸發(fā)）：最常見，易蒸發(fā) 液氟：比重大，毒性大液氟：比重大，毒性大 四氧化二氮（四氧化二氮（N2O4）：有毒性，易蒸發(fā)）：有毒性，易蒸發(fā) 曾用過過氧化氫（貯存穩(wěn)定性差，易分解），曾用過過氧化氫（貯存穩(wěn)定性差，易分解）， 硝酸（硝酸（HNO3，也較少使用），也較少使用）常見液體燃料常見液體燃料： 碳氫燃料

3、（汽油，煤油，柴油，航空燃油，碳氫燃料（汽油，煤油，柴油，航空燃油，RP-1，甲烷等烴類），甲烷等烴類） 液氫（液氫（LH）：清潔燃料，成本高）：清潔燃料，成本高 還有肼（還有肼（N2H4），偏二甲肼（），偏二甲肼（UDMH），一甲基肼（），一甲基肼（MMH）等）等 液體推進劑的選擇需考慮如下因素：液體推進劑的選擇需考慮如下因素：a）經濟因素（原料等）經濟因素（原料等）b）性能高低）性能高低c）危害性（腐蝕，爆炸，毒性等）危害性（腐蝕，爆炸，毒性等）d）物理性能（密度大，冰點低，穩(wěn)定，溫度變化小等）物理性能（密度大，冰點低，穩(wěn)定，溫度變化小等）e）工作穩(wěn)定性（點火性能，燃燒穩(wěn)定性，火焰性能如煙

4、、焰）工作穩(wěn)定性（點火性能，燃燒穩(wěn)定性，火焰性能如煙、焰等）等）常用液體推進劑的物理性能思考：從表中數(shù)據(jù)分析推進劑性能的優(yōu)缺點。 從表中分析，從密度看，液氟較大，但有毒；從沸點看，可貯存推進劑準備時間短，但大部分有毒，且易揮發(fā)；液氫液氧最清潔，但比重較低。因此，沒有十全十美的性能匹配，只能折中選擇。 分析液氫（它是折中選擇的典型），它密度很低，但它和液氧組合最清潔，同時它的分子量最小，這有利于提高推進劑能量（為什么？），有利于燃氣作功。為了降低燃氣的分子量，有時液氫與液氧并不按化學當量比混合，而是讓氫多一些（即富燃）。雙組元液體推進劑的常見組合有：a) LO+LH（無毒無腐蝕，比沖高，成本高，

5、用于主發(fā)動機和運載火箭的上面級）；b) LO+烴類（密度高，常用于主發(fā)動機，少量第二級）；c) 可貯存推進劑組合，如硝酸+烴類，四氧化二氮+偏二甲肼，四氧化二氮+甲基肼等，優(yōu)點是可貯存，能隨時發(fā)射，俄羅斯與中國的彈道導彈常用，美國大力神導彈也使用。一般混合為單組元推進劑使用，少量分開為雙組元使用。液體推進劑火箭發(fā)動機液體推進劑火箭發(fā)動機的典型結構的典型結構主要包括：主要包括：a) 推進劑輸送系統(tǒng)推進劑輸送系統(tǒng)b) 貯箱貯箱c) 推力室推力室d) 噴注系統(tǒng)噴注系統(tǒng)高壓氣瓶泄液閥推力室加注口充氣閥減壓閥排氣閥單向閥限流閥燃料箱氧化劑箱液體推進劑火箭發(fā)動機結構原理圖 a）推進劑輸送系統(tǒng)（）推進劑輸送

6、系統(tǒng)（propellant feed system） 氣壓式系統(tǒng)氣壓式系統(tǒng)最簡單，依靠高壓氣體推出推進劑，一般最簡單，依靠高壓氣體推出推進劑，一般適于短時間、小推力火箭。適于短時間、小推力火箭。 渦輪泵式系統(tǒng)渦輪泵式系統(tǒng)通過泵引出部分燃料和氧化劑燃燒，驅通過泵引出部分燃料和氧化劑燃燒，驅動渦輪，再通過泵推出推進劑，結構復雜，適于長時間大動渦輪，再通過泵推出推進劑，結構復雜，適于長時間大推力火箭。推力火箭。 圖圖 1 液體推進劑火箭發(fā)動機結構原理圖液體推進劑火箭發(fā)動機結構原理圖 高壓氣瓶泄液閥泄液閥過濾器推力室加注口加注口閥門充氣閥減壓閥排氣閥排氣閥單向閥單向閥限流閥燃料箱氧化劑箱圖圖2 大型液

7、體推進劑火箭發(fā)動機結構原理圖大型液體推進劑火箭發(fā)動機結構原理圖 燃料泵閥門推力室高壓氦氣渦輪排氣噴管增壓閥渦輪組件換熱器燃料氧化劑氧化劑泵燃氣發(fā)生器燃氣渦輪b）貯箱（propellant tanks）：包括氧化劑貯箱、燃料貯箱和高壓氣瓶貯箱 材料： 形狀： 布局： 氣墊： 殘余推進劑： 液體推進劑的晃動與渦旋： 無重力飛行：C） 推力室（推力室（thrust chambers，燃燒室和噴管），燃燒室和噴管） 推力室是液體火箭發(fā)動推力室是液體火箭發(fā)動機的機的關鍵部件關鍵部件，一定流量的，一定流量的液體推進劑在這里噴射、霧液體推進劑在這里噴射、霧化、混合并燃燒形成高溫燃化、混合并燃燒形成高溫燃氣，

8、經過噴管高速噴出獲得氣，經過噴管高速噴出獲得推力。推力。 推力室一般包括燃燒室、推力室一般包括燃燒室、噴管和輔助結構（如冷卻系噴管和輔助結構（如冷卻系統(tǒng)）組成統(tǒng)）組成 。D）噴注系統(tǒng)（）噴注系統(tǒng)（injecting system） 噴注系統(tǒng)的作用是將液體推進劑以噴注系統(tǒng)的作用是將液體推進劑以一定流量引入燃燒室一定流量引入燃燒室，并使其并使其霧化混合均勻霧化混合均勻，保持氧化劑和燃料一定的混合比保持氧化劑和燃料一定的混合比。為實。為實現(xiàn)這些功能，常采用多噴嘴（現(xiàn)這些功能，常采用多噴嘴（injectors）結構。）結構。 一種一種9090雙股自擊撞擊式噴嘴雙股自擊撞擊式噴嘴 噴嘴主要分為三類：a)

9、 撞擊式b) 非撞擊式c) 同心套管式 (a) 雙股互擊式(b) 三股互擊式(c) 自擊式(d) 淋浴頭式(e) 同心套管式燃料氧化劑燃料氧化劑氧化劑燃料燃料氧化劑液氧 氣氫內管外套管 液體氧化劑與燃料經過噴嘴霧化混合后，進行燃燒，在燃燒室中的燃燒可以分為三個區(qū)：噴射霧化區(qū)、快速燃燒區(qū)和流管燃燒區(qū)。 推力室中的燃燒過程示意圖 流管燃燒區(qū)超聲速膨脹區(qū)快速燃燒區(qū)噴射/霧化區(qū)燃燒室燃燒區(qū)亞聲速流動噴注器噴射霧化區(qū)噴射霧化區(qū)，位于最前端，液體霧化成大量的小液滴，快，位于最前端，液體霧化成大量的小液滴，快速燃燒區(qū)的高溫輻射傳熱給小液滴，小液滴通過對流傳熱速燃燒區(qū)的高溫輻射傳熱給小液滴，小液滴通過對流傳熱

10、迅速獲得熱量而蒸發(fā)，形成大量富燃和富氧的局部區(qū)域。迅速獲得熱量而蒸發(fā)，形成大量富燃和富氧的局部區(qū)域。該區(qū)域兩相共存，只有少量的化學反應，熱量大量來自快該區(qū)域兩相共存，只有少量的化學反應，熱量大量來自快速燃燒區(qū)。速燃燒區(qū)。 快速燃燒區(qū)，在燃燒室的中間段，隨著小液滴的蒸發(fā)，富燃和富氧的局部區(qū)域相互摻混，燃料與氧化劑發(fā)生強烈而快速的化學反應而燃燒，產生大量的高溫燃氣。該區(qū)域的燃燒過程是一個強烈的非穩(wěn)態(tài)過程，存在強烈的摻混、爆燃（接近局部爆炸，產生一系列激波），壓強、溫度、密度、混合比等參數(shù)作快速波動。 H2擴散火焰O2液滴的擴散燃燒示意圖 流管燃燒區(qū)，在燃燒室的后段，燃燒和混合過程趨于平穩(wěn)，化學反應

11、速率降低，流動在橫向的湍流混合很小。 燃燒一般包括下述過程燃燒一般包括下述過程：a）推進劑經過噴嘴高速（）推進劑經過噴嘴高速（15100m/s）噴入燃燒室，形成液體射）噴入燃燒室，形成液體射流和液霧；流和液霧；b）射流破碎成小液滴（如碰撞、湍流的作用）射流破碎成小液滴（如碰撞、湍流的作用）霧化過程；霧化過程；c）各個液滴吸熱而蒸發(fā)；）各個液滴吸熱而蒸發(fā)；d）蒸發(fā)氣體相互混合并進行化學反應燃燒；）蒸發(fā)氣體相互混合并進行化學反應燃燒；e）活化中心團、分子、原子的紊流擴散，噴嘴產生的渦旋，加?。┗罨行膱F、分子、原子的紊流擴散，噴嘴產生的渦旋，加劇熱交換和混合；熱交換和混合；f）燃燒充分后，燃燒與流

12、動過程趨于平穩(wěn)；）燃燒充分后，燃燒與流動過程趨于平穩(wěn)；g）燃燒產生的熱使自身膨脹加速。）燃燒產生的熱使自身膨脹加速。 定義混合比定義混合比 則 eaeee)(VmppAVmFfuoxmmrfufuox) 1(mrmmm思考： 給定噴管，要求設計出滿足一定推力的火箭發(fā)動機，如何確定液體氧化劑和液體燃料的流量（已知混合比）？給定噴管，總流量是由推力大小決定的：液體氧化劑和液體燃料的流量由混合比決定：eVFm mrrm1oxmrm11fu02Const21pVpBernoulli方程方程 代入連續(xù)方程代入連續(xù)方程 221VppV2pAApVAm22 引入流量修正系數(shù)引入流量修正系數(shù) ，則有，則有 p

13、Acmm2V=0p0pVBernoulliBernoulli流動流動 mc已知壓差和流量已知壓差和流量，通過上式可以確定滿足流量條件的噴嘴尺寸，即，通過上式可以確定滿足流量條件的噴嘴尺寸，即 pcmrnAm2 2oxoxox2oxoxox2 oxpcmrnAm對于氧化劑和燃料，分別為對于氧化劑和燃料，分別為 fufufu2fufufu2 fupcmrnAm不同噴嘴的流量系數(shù) 根據(jù)流量公式根據(jù)流量公式 ，可得噴嘴的噴射速度為，可得噴嘴的噴射速度為 /22pcApAcAmVmm噴嘴夾角示意圖 根據(jù)動量守恒根據(jù)動量守恒，撞擊前后的守恒關系式為，撞擊前后的守恒關系式為 方向方向yVmVmVmxVmVm

14、Vm sinsinsin coscoscosfufufuoxoxoxfufufuoxoxoxyx氧化劑射流燃料射流fuox合成射流撞擊點mV.mfuVfu.moxVox.兩式相除，得兩式相除，得 fufufuoxoxoxfufufuoxoxoxcoscossinsintanVmVmVmVm時，往往具有良好的性能（如流動總壓損失最小），則時，往往具有良好的性能（如流動總壓損失最?。?，則 0fufufuoxoxoxsinsinVmVm混合比 r 的選擇應當考慮如下因素：a) 在較大的流動范圍內保持為常數(shù)，或近似常數(shù)；b) 在適當?shù)幕瘜W當量比附近，以提高燃燒效率 ；c) 考慮不同推進劑組合的物理和化

15、學特性，提高燃燒能量，如液氫，可考慮富燃，可降低燃氣分子量，從而提高能量?；旌媳萺的確定步驟如下：a) 選用的噴嘴形式應使流量系數(shù)在很大的雷諾數(shù)范圍內保持為常數(shù)，即b) 為匹配合適的混合比r，一般先用水流試驗。保持壓差相同，這時 ，則根據(jù)流量公式，可以建立混合比的關系式為 fuoxfuoxfuoxfuoxfuoxppAAccmmrmm該式建立了混合比與噴嘴（包括流量系數(shù)）、壓差以及密度之間的匹配關系。 ConstccdfdoConstfuoxmmccfuoxfuoxppfuoxfuoxAAccrmm例：已知某火箭發(fā)動機液體氧化劑和燃料的推出壓差均為3MPa，密度均為1.14103 kg/m3，推進劑混合比為1:5。火箭噴管排氣速度為Ve =2500 m/s，噴嘴數(shù)量均為10個，試設計噴嘴大小，使火箭產生推力達到10 kN。不考慮流量損失。解：欲產生10 kN的推力，當Ve =2500 m/s時，必需的燃氣流量為 0 . 4250010103eVFm (kg/s