初探火箭发动机

初探火箭发动机

目录

一、简介 (1)

二、火箭发动机的工作原理 (1)

三、火箭发动机的整体性能 (5)

四、火箭发动机的冷却 (6)

五、火箭发动机的机械问题 (7)

六、火箭发动机的声学问题 (7)

七、火箭发动机的化学问题 (9)

八、火箭发动机的分类 (9)

一、简介

定义：由飞行器自带推进剂，不依赖外界空气提供氧化剂的喷气发动机。

火箭发动机是喷气发动机的一种，将推进剂箱或运载工具内的反应物料（推进剂）变成高速射流，由于牛顿第三定律而产生推力。火箭发动机可用于航天器推进，也可用于导弹等地面应用。大部分火箭发动机都是内燃机，也有非燃烧形式的发动机。

二、火箭发动机工作原理

大部分发动机靠排出高温高速尾气来获得推力，固体或液体推进剂（由氧化剂和燃料组成）在燃烧室中高压（10-200 bar）燃烧产生尾气。

向燃烧室供入推进剂

液体火箭通过泵将氧化剂和燃料分别泵入燃烧室，两种推进剂成分在燃烧室混合并燃烧。而固体火箭的推进剂事先混合好放入储存室，工作时储存室就是燃烧室。固液混合火箭使用固体和液体混合的推进剂或气体推进剂，也有使用高能电源将惰性反应物料送入热交换机加热，这就不需要燃烧室。火箭推进剂在燃烧并排出产生推力前通常储存在推进剂箱中。推进剂一般选用化学推进剂，在经历放热化学反应后产生高温气体用于火箭推进。

燃烧室

化学火箭的燃烧室通常呈圆柱体形，其尺寸要满足推进剂充分燃烧，所用推进剂不同，尺寸不同。用L * 描述燃烧室尺寸

这里：

Vc 是燃烧室容量

At 是喷口面积

L* 的范围通常为25-60英尺（0.6 - 1.5 m）

燃烧室的压力和温度通常达到极值，不同于吸气式喷气发动机有足够的氮气来稀释和冷却燃烧，火箭发动机燃烧室的温度可达到化学上的标准值。而高压意味着热量在燃烧室壁的传导速度非常快。

喷嘴

发动机的外形主要取决于膨胀喷嘴的外形：钟罩形或锥形。在一个高膨胀比的渐缩渐阔喷嘴中，燃烧室产生的高温气体通过一个开孔（喷口）排出。

如果给喷嘴提供足够高的压力（高于围压的2.5至3倍），就会形成喷嘴阻流和超音速射流，大部分热能转化为动能，由此增加排气的速度。在海平面，发动机排气速度达到音速的十倍并不少见。

一部分火箭推力来自燃烧室内压力的不平衡，但主要还是来自挤压喷嘴内壁的压力。排出气体膨胀（绝热）时对内壁的压力是火箭朝向一个方向运动，而尾气向相反的方向。

推进剂效率

要使发动机有效利用推进剂，需要用一定质量的推进剂产生最大可能压力作用于燃烧室和喷嘴，此外以下方法也能提高推进剂效率：

将推进剂加热到尽可能高的温度（使用高能燃料、氢，碳或某些金属如铝，或使用核能）

使用低比重气体（尽可能含氢）

使用小分子推进剂（或能分解成小分子的推进剂）

因为所有的措施都是出于减轻推进剂质量的考虑；压力与被加速的推进剂量成比例关系；也因为牛顿第三定律，作用于发动机的压力也作用于推进剂。废气出燃烧室的速度似乎是由燃烧室压决定的。然而该速度明显受上述三种因素影响。综合起来，排气速度就是检验发动机效率的最好证明。

由于空气动力的原因，废气在喷口产生阻流效应。音速随温度平方根增长，因此使用高温尾气能提高发动机性能。在室温下，空气中的音速为340 m/s，而在火箭的高温气体中可达1700 m/s以上，火箭的大部分性能都是由于高温。加之火箭推进剂通常选用小分子，这也使得在同等温度下，废气中音速高于空气中音速。

喷嘴的膨胀设计使排气速度翻倍，通常是1.5至2倍，由此产生准高超音速排气射流。速度的增量主要由面积膨胀比决定，即喷口面积与喷嘴出口面积的比值。而气体的性质也很重要。大膨胀比的喷嘴尺寸更大，但能使废气释放更多的热，由此提高排气速度。

喷嘴效率受工作高度影响，因为大气压力随高度升高而降低。但由于尾气是超音速的，因此射流的压力只会低于或高于围压，不能与之平衡。如果尾气压力以围压不同，喷嘴就可以称为完全膨胀，围压或过度膨胀。如果尾气压力以围压不同，喷嘴就可以称为完全膨胀。

反压力和最佳膨胀

要获得最佳性能，尾气在喷嘴末端的压力需要与围压相等。如果尾气压力小于围压，运载器就会因为发动机前端与末端的气压差而减速。而如果尾气压

力大于围压，本该转换成推力的尾气压力没有转换，能量被浪费。

为了维持尾气压力和围压的平衡，喷嘴直径需要随高度升高而增大，是尾气有足够长的距离作用于喷嘴，以降低压力和温度。而这增加了设计难度。实际设计中通常采用折衷的办法，因而也牺牲了效率。有许多特殊喷嘴可以弥补这种缺陷，如塞式喷嘴、阶状喷嘴、扩散式喷嘴以及瓦形喷嘴。每种特殊喷嘴都能调整围压并让尾气在喷嘴中扩散更广，在高空产生额外的推力。

当围压足够低，如真空，就会出现一些问题：一个问题是喷嘴的剪重，在一些运载器中，喷嘴的重量也影响着发动机效率。第二个问题是尾气在喷嘴中绝热膨胀并冷却，射流中某些化学物质会凝结产生“雪”，导致射流的不稳定，这是必须避免的。

动力循环

相对喷管处的热能损失而言，泵气损失微乎其微。大气中使用的发动机使用高压动力循环来提高喷管效率，而真空发动机则无此要求。对于液体发动机，将推进机注入燃烧室的动力循环共有四种基本形式：

1.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。

2.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。

3.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