液体火箭发动机工作原理

液体火箭发动机工作原理：

液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。

常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等，燃烧剂由液氢、偏二甲肼、煤油等。氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。

液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。

推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件。它由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成，见图。推进剂通过喷注器注入燃烧室，经雾化，蒸发，混合和燃烧等过成生成燃烧产物，以高速（2500一5000米／秒）从喷管中冲出而产生推力。燃烧室内压力可达200大气压（约200MPa）、温度300℃～4000℃，故需要冷却。

推进剂供应系统的功用是按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂。按输送方式不同，有挤压式（气压式）和泵压式两类供应系统。挤压式供应系统是利用高压气体经减压器减压后（氧化剂、燃烧剂的流量是靠减压器调定的压力控制）进入氧化剂、燃烧剂贮箱，将其分别挤压到燃烧室中。挤压式供应系统只用于小推力发动机。大推力发动机则用泵压式供应系统，这种系统是用液压泵输送推进剂。

发动机控制系统的功用是对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制。工作程序包括发动机起动、工作、关机三个阶段，这一过程是按预定程序自动进行的。工作参数主要指推力大小、推进剂的混合比。

液体火箭发动机的优点是比冲高（250～500秒），推力范围大（单台推力在1克力～700吨力）、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。液体火箭发动机主要用作航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。

液体火箭发动机是航天发射的主流，构造上比固体发动机复杂得多，主要由点火装置，燃烧室，喷管，燃料输送装置组成。点火装置一般是火药点火器，对于需要多次启动的上面级发动机，则需要多个火药点火器，如美国战神火箭的J-2X发动机，就具备2个火药点火器实现2次启动功能，我国的YF-73和YF-75也都安装了2个火药点火器，具备了2次启动能力；燃烧室是液体燃料和氧化剂燃烧膨胀的地方，为了获得更高的比冲，一般具有很高的压力，即使是普通的发动机，通常也有数十个大气压之高的压力，苏联的RD-180等发动机，燃烧室压力更是高达250多个大气压。高压下的燃烧比之常压下更为复杂，同时随着燃烧室体积的增加，燃烧不稳定情况越来越严重，解决起来也更加麻烦。目前根本没有可靠的数学模型分析燃烧稳定性问题，主要靠大量的发动机燃烧试验来解决。美国的土星5号火箭的F-1发动机，进行了高达20万秒的地面试车台燃烧测试，苏联能源号火箭的RD-170发动机，也进行了10多万秒的地面试车台燃烧测试，在反复的燃烧测试中不断优化发动机各项参数，

缓解不稳定燃烧现象。不过室压低推力较小的发动机，不稳定燃烧现象很不明显，不稳定燃烧是制约液体发动机推力增加的主要问题之一。液体火箭发动机燃烧室使用液体燃料或是氧化剂进行冷却，在它们进入燃烧室前，先流过燃烧室壁降温；液体发动机的喷管同样是拉瓦尔喷管，扩张段一般都是钟形，不过采用冷却式喷管，由液体燃料或是氧化剂进行降温。

液体发动机燃料输送分为四种方式：挤压循环，燃气发生器循环，分级燃烧循环，膨胀循环。

挤压循环利用高压气体经减压器减压后进入氧化剂、燃烧剂储箱，将其分别挤压到燃烧室中，受制于储箱的材料，不可能做到多大压强，因此只用在小型低性能的发动机上。

燃气发生器循环中，一部分燃料和氧化剂流过一个燃气发生器，燃烧后推动燃料泵和氧化剂泵运转，燃料泵和氧化剂泵则把燃料压倒燃烧室中，预燃的废气直接排放。初始燃料和氧化剂的流动，有的是通过储箱的挤压，有的是依靠自然的重力引导。

分级燃烧循环又称补燃方式，同样是燃料和氧化剂在预燃器中燃烧，推动燃料泵和氧化剂泵，不过不同的是，预燃器中的燃气不是直接排放，而是压入燃烧室，这样避免了燃料和氧化剂的浪费，可以做到更大的比冲。追求高比冲发动机一般都会采用分级燃烧的循环方式，分级燃烧的时为了追求更高比冲，一般燃烧室压力要燃气发生器循环高得多，又称高压补燃方式。

膨胀循环则是燃料或是氧化剂流过燃烧室壁和喷管壁，在那里冷却燃烧室和喷管的同时，自身升温具有更大压力，推动燃料泵和氧化剂泵运转，很明显的，燃气发生器和分级燃烧的循环同样会流经这些高温部位，但是却加以预燃器高压燃气的驱动，可以做到大得多的推力。膨胀燃烧循环的发动机一般的说具有很高的比冲，理论上其他条件相同时是最高的比冲，不过推力很难做大，如美国的RL10-B-2，具有已用液体发动机中最高的比冲465.5秒，但是推力只有24750磅，约合11.2吨。

说到液体发动机，循环方式和燃烧室室压和喷管设计固然很影响比冲，但是最影响发动机比冲的却是液体燃料。早期的肼类燃料，配合四氧化二氮，真空中最多也只有300秒左右的比冲，而且肼类都有剧毒，四氧化二氮腐蚀性也很强，目前已经逐渐被淘汰，我国的长征5号等新一代火箭也将在未来几年内淘汰现有肼类燃料的长征火箭；比冲更高一些的是煤油燃料，煤油比之肼类，比冲高的不多，只有20秒左右，主要的特色是廉价，同时无毒，很适合液体发动机使用，当前商业火箭公司的发动机，都选液氧煤油发动机就是看中这点；比冲更高些的是甲烷发动机，甲烷是烃类燃料中比冲最高的，不过比之煤油高出不多，同样是20秒左右，同时需要低温存储，体积比煤油大得多，最主要的费用也要高不少，因此少有问津，不过冷战后，各航天国家开始对甲烷发动机的预研工作；比冲最高的燃料组合是液氢液氧组合，液氢燃料不要说比煤油，就是比肼类都要贵太多，而且储存体积巨大，不过液氢液氧的比冲比液氧煤油高的太多，在真空，普遍可以达到420秒以上，高出了1/3多。对照齐奥尔科夫斯基公式，这意味着可以用少得多的燃料将载荷打入轨道。不过由于液氢的昂贵，早期主要是在火箭的上面级（第一级以上称上面级）使用液氢燃料，随着技术的进步，液氢价格降低，新一代火箭普遍第一级也采用液氢燃料，如日本的H-II，欧洲的Ariane5等，我国的长征5号火箭第一级也将采用液氢燃料。美国更是出现了助推器也采用液氢燃料的大型火箭Delta4型火箭，其性能十分优越。

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