液体火箭发动机技术

增压阀 氧化剂
涡轮组件
氧化剂泵 燃涡轮气
燃料泵 阀门
推力室
燃生器气 发
换热器 涡气喷轮管排
图2 大型液体推进剂火箭发动机结构原理图
b）贮箱（ ）：包括氧化剂贮箱、燃料贮箱和高压气瓶贮箱
材料： 形状： 布局： 气垫： 残余推进剂： 液体推进剂的晃动与涡旋： 无重力飞行：
C） 推力室（ ，燃烧室和喷管）
推力室是液体火箭发动 机的关键部件，一定流量的 液体推进剂在这里喷射、雾 化、混合并燃烧形成高温燃 气，经过喷管高速喷出获得 推力。
推力室一般包括燃烧室、 喷管和辅助结构（如冷却系 统）组成 。
D）喷注系统（ ） 喷注系统的作用是将液体推进剂以一定流量引入燃烧
室，并使其雾化混合均匀，保持氧化剂和燃料一定的混合 比。为实现这些功能，常采用多喷嘴（）结构。
章液体推进剂火箭发动机
液体推进剂火箭发动机：以液体推进剂为动力来源、通过 液体推进剂燃烧产生的燃气高速喷出获得推力的动力装置。
4.1 液体推进剂 4.2 结构原理 4.3 燃烧过程 4.4 工作性能
4.1 液体推进剂
与固体推进剂相比，液体推进剂 优点：效率高（比冲高）；
工作时间长； 推力矢量易于控制； 可反复启动。 缺点：密度低； 结构工艺复杂； 准备时间长； 工作推力较低。
快速燃烧区，在燃烧室的中间段，随 着小液滴的蒸发，富燃和富氧的局部 区域相互掺混，燃料与氧化剂发生强 烈而快速的化学反应而燃烧，产生大 量的高温燃气。该区域的燃烧过程是 一个强烈的非稳态过程，存在强烈的 掺混、爆燃（接近局部爆炸，产生一 系列激波），压强、温度、密度、混 合比等参数作快速波动。
扩散火焰
回忆：固体推进剂火箭发动机的优缺点？
固体推进剂火箭发动机的优点 a) 结构简单 b) 使用操作简便、安全 c) 固体推进剂密度大
缺点 a) 比冲低。 b) 推力矢量不易控制。 c) 工作压强高。
液体推进剂分类
单组元液体推进剂 双组元液体推进剂
有关推进剂还有： 冷气推进剂 低温推进剂 可贮存推进剂等
4.2 结构原理
液体推进剂火箭发动机的典型结构 ห้องสมุดไป่ตู้要包括：
a) 推进剂输送系统 b) 贮箱 c) 推力室 d) 喷注系统
排气阀
单向阀 加注口
减压阀
氧化剂箱
高压 气瓶 泄液阀
燃料箱
限流阀
充气阀 推力室
液体推进剂火箭发动机结构原理图
a）推进剂输送系统（ ） 气压式系统最简单，依靠高压气体推出推进剂，一般
适于短时间、小推力火箭。 涡轮泵式系统通过泵引出部分燃料和氧化剂燃烧，驱
动涡轮，再通过泵推出推进剂，结构复杂，适于长时间大 推力火箭。
排气阀
单向阀 单向阀
加注口
加注口 减压阀 阀门
排气阀
氧化剂箱 泄液阀
高压 气瓶
燃料箱 泄液阀
过滤器
充气阀 限流阀
推力室
图 1 液体推进剂火箭发动机结构原理图
高压氦气 燃料
液体推进剂的选择需考虑如下因素： a）经济因素（原料等） b）性能高低 c）危害性（腐蚀，爆炸，毒性等） d）物理性能（密度大，冰点低，稳定，温度变化小等） e）工作稳定性（点火性能，燃烧稳定性，火焰性能如烟、焰 等）
常用液体推进剂的物理性能
思考：从表中数据分析推进剂性能的优缺点。
从表中分析，从密度看，液氟较大，但有毒；从沸点看，可贮存推进 剂准备时间短，但大部分有毒，且易挥发；液氢液氧最清洁，但比重较低 。因此，没有十全十美的性能匹配，只能折中选择。
燃烧室燃烧区 亚声速流动
喷 注 器
喷射/ 快速 流管燃烧区 雾化区 燃烧区
超声速膨胀区
推力室中的燃烧过程示意图
喷射雾化区，位于最前端，液体雾化成大量的小液滴，快 速燃烧区的高温辐射传热给小液滴，小液滴通过对流传热 迅速获得热量而蒸发，形成大量富燃和富氧的局部区域。 该区域两相共存，只有少量的化学反应，热量大量来自快 速燃烧区。
分析液氢（它是折中选择的典型），它密度很低，但它和液氧组合最 清洁，同时它的分子量最小，这有利于提高推进剂能量（为什么？），有 利于燃气作功。为了降低燃气的分子量，有时液氢与液氧并不按化学当量 比混合，而是让氢多一些（即富燃）。
双组元液体推进剂的常见组合有：
a) （无毒无腐蚀，比冲高，成本高，用于主发动机和运载火箭的上面级）； b) 烃类（密度高，常用于主发动机，少量第二级）； c) 可贮存推进剂组合，如硝酸+烃类，四氧化二氮+偏二甲肼，四氧化二氮+甲基肼等， 优点是可贮存，能随时发射，俄罗斯与中国的弹道导弹常用，美国大力神Ⅱ导弹也使 用。一般混合为单组元推进剂使用，少量分开为双组元使用。
4.4 工作性能
4.4.1 推力 4.4.2 喷嘴尺寸 4.4.3 喷射速度和喷嘴夹角 4.4.4 混合比的确定
4.4.1 推力
F m V e A e (p e p a ) m V e
一种90°双股自击撞击式喷嘴
喷嘴主要分为三类： a) 撞击式 b) 非撞击式 c) 同心套管式
燃料 氧化剂
(a) 双股互击式
氧化剂 燃料
(b) 三股互击式
燃料 氧化剂
(c) 自击式
燃料 氧化剂
(d) 淋浴头式
外套管 内管
液氧 气氢
(e) 同心套管式
4.3 燃烧过程
液体氧化剂与燃料经过喷嘴雾化混合后，进行燃烧，在燃烧室中 的燃烧可以分为三个区：喷射雾化区、快速燃烧区和流管燃烧区。
常见液体推进剂
常见液体氧化剂： 液氧（）：最常见，易蒸发 液氟：比重大，毒性大 四氧化二氮（N2O4）：有毒性，易蒸发 曾用过过氧化氢（贮存稳定性差，易分解）， 硝酸（3，也较少使用）
常见液体燃料： 碳氢燃料（汽油，煤油，柴油，航空燃油，1，甲 液氢（）：清洁燃料，成本高 还有肼（N2H4），偏二甲肼（），一甲基肼（）
H2
O2
液滴的扩散燃烧示意图
流管燃烧区，在燃烧室的后段，燃烧和混合过程趋于平稳， 化学反应速率降低，流动在横向的湍流混合很小。
燃烧一般包括下述过程： a）推进剂经过喷嘴高速（15~100）喷入燃烧室，形成液体射流和 液雾； b）射流破碎成小液滴（如碰撞、湍流的作用）——雾化过程； c）各个液滴吸热而蒸发； d）蒸发气体相互混合并进行化学反应燃烧； e）活化中心团、分子、原子的紊流扩散，喷嘴产生的涡旋，加剧 热交换和混合； f）燃烧充分后，燃烧与流动过程趋于平稳； g）燃烧产生的热使自身膨胀加速。