试验用液体火箭发动机设计说明书
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圆筒段燃气温度
燃气多变指数
燃气定压比热容
燃气粘度
燃气普朗特数
2.3.1.2.计算燃气与内壁面的对流换热密度
圆筒段横截面积
喷管喉部过渡半径
假设内壁温度：
利用巴兹法计算燃气与内壁面的对流换热系数
根据 ，查表得到考虑附面层内燃气性能变化的修正系数
燃气与内壁面的对流换热系数
燃气与内壁面的对流换热密度
2.3.1.3.计算燃气与内壁面的辐射热流密度
喷管扩张段与喉部截面之间可以用半径 的圆弧过渡，一般取 ，取
根据燃烧产物的多变指数 ，及 ，查表得喷管扩张比
则锥形喷管的长度为
，圆整取
使用锥形扩张段的推力室型面如下图所示
2.2.推力室头部设计
采用直流环缝式喷嘴，燃料采用切向式离心喷嘴，氧化剂采用直流式喷嘴；排布方式：中间1个喷嘴，外圈均布6个喷嘴，燃料和氧化剂喷嘴数量为
根据 查得气体对整个壁面辐射的平均射线长
水蒸气分压
二氧化碳分压
计算得到
查图得水蒸气发射率 ，指数关系 ，则水蒸气的实际发射率为
查图得二氧化碳发射率 ，则总的发射率为
壁面发射率一般取为 ，则实际有效壁面发射率为
由于壁面温度较低，故壁面对燃气的辐射可以忽略，因此燃气辐射热流密度为
2.3.1.4.计算总热流密度、总热流量及冷却剂流量
冷却剂雷诺数
冷却剂普朗特数
冷却剂努塞尔数
冷却剂和外壁面的对流换热系数
外壁面温度
内壁面温度
由计算结果可知，推力室圆筒段内壁面温度 与假定的温度 差别不大，误差仅为 ，可以不进行重新迭代计算。铜合金在 的温度范围内不会失效，符合冷却要求。
3.发动机性能计算
3.1.1.根据喷嘴结构计算混合比
燃料喷嘴：75%酒精密度 ，喷嘴压降 ，取流量系数
根据 查得气体对整个壁面辐射的平均射线长
水蒸气分压
二氧化碳分压
计算得到
查图得水蒸气发射率 ，则水蒸气的实际发射率为
查图得二氧化碳发射率 ，则总的发射率为
壁面发射率一般取为 ，则实际有效壁面发射率为
由于壁面温度较低，故壁面对燃气的辐射可以忽略，因此燃气辐射热流密度为
2.3.2.4.计算总热流密度、总热流量及冷却剂流量
2.2.1.燃料喷嘴设计
已知：75%酒精密度：
酒精喷嘴质量流量
选取喷雾锥角 ，查图得流量系数 ，几何特性系数
选取喷嘴压降
由质量流量方程得喷孔面积
喷孔直径
，圆整取 ，喷孔半径
取 ，切向入口数 ，得到
切向孔半径
，圆整取
酒精喷嘴的其他尺寸如下：
旋流室内径
喷嘴外径
对于喷孔圆筒段长度 ，因为当 时， ；当 时， ，故喷孔圆筒段长度
圆筒段壁厚为 ，圆筒段外径
喷嘴入口锥面张角为
2.2.2.氧化剂喷嘴：
气氧喷嘴质量流量
选取喷嘴压降 （ 取 ），流量系数
气氧压力
标准状况下，氧气多变指数 ，
由状态方程 得
气氧的喷出速度为
由气体直流喷嘴的质量流量方程得
喷孔直径
，圆整取
2.3.推力室身部设计
2.3.1.推力室圆筒段冷却计算
2.3.1.1.燃气的气动参数
总热流密度
取推力室圆筒段壁厚 ，则外壁面温度
总热流量
Байду номын сангаас若要求冷却水通过冷却通道时的温升为 ，则冷却水流量为
冷却水的温度可以取为
2.3.1.5.确定冷却通道参数
推力室内壁面及肋条材料为铜合金，导热系数 （温度为 ）
内壁厚 ，冷却通道高度 ，则当量直径
2.3.1.6.计算内壁面和外壁面温度
冷却通道面积
冷却剂流速
由于 ，所以推力室圆筒段满足强度要求。
4.1.2.喷管强度校核
喷管喉部轴向应力
喷管喉部最大切向应力
喷管喉部周向应力
由于 ，所以喷管喉部及整个喷管满足强度要求。
从而得出
推力室氧化剂质量流量
推力室燃料质量流量
喷管的喉部面积
喉部直径
，圆整取
喉部半径
2.1.2.燃烧室容积
取气氧-75%酒精发动机的燃烧室特征长度
燃烧室容积
2.1.3.燃烧室直径
利用燃烧室收缩比求燃烧室直径
根据经验， 推力器的燃烧室收缩比 ，取
燃烧室直径为
，圆整取
燃烧室截面面积
2.1.4.推力室收敛段型面
总热流密度
取推力室喉部壁厚 ，则外壁面温度
总热流量
若要求冷却水通过冷却通道时的温升为 ，则冷却水流量为
冷却水的温度可以取为
2.3.2.5.确定冷却通道参数
推力室内壁面及肋条材料为铜合金，导热系数 （温度为 ）
内壁厚 ，冷却通道高度 ，则当量直径
2.3.2.6.计算内壁面和外壁面温度
冷却通道面积
冷却剂流速
喷孔面积
根据质量流量方程得燃燃料流量
氧化剂喷嘴： 时的气氧密度 ，气氧的喷出速度 ，取流量系数
喷孔面积
根据质量流量方程得氧化剂流量
实际混合比
3.1.2.热力计算结果
燃气比热比： （燃烧室）， （喷管喉部）
地面理论比冲：
特征速度：
3.1.3.计算发动机推力和燃烧室压力
喷管出口直径
喷管扩张比
根据 和 计算得出口压力和燃烧室压力之比
特征推力系数
发动机实际推力系数为
推进剂总流量
发动机推力
燃烧室压力
根据以上结果，发动机推力和燃烧室压力与设计要求相差不到2%，满足设计要求。
4.推力室强度校核
4.1.1.推力室圆筒段强度校核
圆筒段所选材料为黄铜，查机械手册得： ，
轴向应力
周向应力
高温下材料的屈服极限有所下降，故采用较大的安全系数，取
许用应力
基于简单考虑，收敛段采用锥形设计，并用圆弧过渡。取半锥角 ，圆筒段与收敛段的过渡半径 ，收敛段与扩张段的过渡半径 。
收敛段长度
，圆整取
收敛段容积
2.1.5.推力室圆筒段长度
圆筒段容积
圆筒段长度
，圆整取
2.1.6.推力室喷管扩张段型面
该推力室喷管扩张段采用锥形设计，根据摩擦损失与非轴向流动损失综合影响最小的条件，扩张半角的最佳值为15°~20°。通常采用15°扩张半角的锥形喷管可以较好的平衡结构质量、长度和喷管效率之间的关系。取 。
冷却剂雷诺数
冷却剂普朗特数
冷却剂努塞尔数
冷却剂和外壁面的对流换热系数
外壁面温度
内壁面温度
由计算结果可知，推力室圆筒段内壁面温度 与假定的温度 差别不大，误差仅为 ，可以不进行重新迭代计算。铜合金在 的温度范围内不会失效，符合冷却要求。
2.3.2.推力室喉部冷却计算
2.3.2.1.燃气的气动参数
喉部燃气温度
燃气多变指数
燃气定压比热容
燃气粘度
燃气普朗特数
2.3.2.2.计算燃气与内壁面的对流换热密度
喉部横截面积
喷管喉部过渡半径
假设内壁温度：
利用巴兹法计算燃气与内壁面的对流换热系数
根据 ，查表得到考虑附面层内燃气性能变化的修正系数
燃气与内壁面的对流换热系数
燃气与内壁面的对流换热密度
2.3.2.3.计算燃气与内壁面的辐射热流密度
1.原始数据
推进剂：氧化剂：气氧；燃料：75%酒精
地面推力：
燃烧室压力：
余氧系数：
喷管出口压力：
2.推力室参数计算结果
热力计算结果
燃气比热比： （燃烧室）， （喷管喉部）
地面理论比冲：
特征速度：
2.1.推力室结构参数计算
2.1.1.喉部直径
取燃烧室效率 ，
推力室总质量流量为
气氧和75%酒精的当量混合比 ，根据余氧系数可以计算实际混合比
燃气多变指数
燃气定压比热容
燃气粘度
燃气普朗特数
2.3.1.2.计算燃气与内壁面的对流换热密度
圆筒段横截面积
喷管喉部过渡半径
假设内壁温度：
利用巴兹法计算燃气与内壁面的对流换热系数
根据 ，查表得到考虑附面层内燃气性能变化的修正系数
燃气与内壁面的对流换热系数
燃气与内壁面的对流换热密度
2.3.1.3.计算燃气与内壁面的辐射热流密度
喷管扩张段与喉部截面之间可以用半径 的圆弧过渡，一般取 ，取
根据燃烧产物的多变指数 ，及 ，查表得喷管扩张比
则锥形喷管的长度为
，圆整取
使用锥形扩张段的推力室型面如下图所示
2.2.推力室头部设计
采用直流环缝式喷嘴，燃料采用切向式离心喷嘴，氧化剂采用直流式喷嘴；排布方式：中间1个喷嘴，外圈均布6个喷嘴，燃料和氧化剂喷嘴数量为
根据 查得气体对整个壁面辐射的平均射线长
水蒸气分压
二氧化碳分压
计算得到
查图得水蒸气发射率 ，指数关系 ，则水蒸气的实际发射率为
查图得二氧化碳发射率 ，则总的发射率为
壁面发射率一般取为 ，则实际有效壁面发射率为
由于壁面温度较低，故壁面对燃气的辐射可以忽略，因此燃气辐射热流密度为
2.3.1.4.计算总热流密度、总热流量及冷却剂流量
冷却剂雷诺数
冷却剂普朗特数
冷却剂努塞尔数
冷却剂和外壁面的对流换热系数
外壁面温度
内壁面温度
由计算结果可知，推力室圆筒段内壁面温度 与假定的温度 差别不大，误差仅为 ，可以不进行重新迭代计算。铜合金在 的温度范围内不会失效，符合冷却要求。
3.发动机性能计算
3.1.1.根据喷嘴结构计算混合比
燃料喷嘴：75%酒精密度 ，喷嘴压降 ，取流量系数
根据 查得气体对整个壁面辐射的平均射线长
水蒸气分压
二氧化碳分压
计算得到
查图得水蒸气发射率 ，则水蒸气的实际发射率为
查图得二氧化碳发射率 ，则总的发射率为
壁面发射率一般取为 ，则实际有效壁面发射率为
由于壁面温度较低，故壁面对燃气的辐射可以忽略，因此燃气辐射热流密度为
2.3.2.4.计算总热流密度、总热流量及冷却剂流量
2.2.1.燃料喷嘴设计
已知：75%酒精密度：
酒精喷嘴质量流量
选取喷雾锥角 ，查图得流量系数 ，几何特性系数
选取喷嘴压降
由质量流量方程得喷孔面积
喷孔直径
，圆整取 ，喷孔半径
取 ，切向入口数 ，得到
切向孔半径
，圆整取
酒精喷嘴的其他尺寸如下：
旋流室内径
喷嘴外径
对于喷孔圆筒段长度 ，因为当 时， ；当 时， ，故喷孔圆筒段长度
圆筒段壁厚为 ，圆筒段外径
喷嘴入口锥面张角为
2.2.2.氧化剂喷嘴：
气氧喷嘴质量流量
选取喷嘴压降 （ 取 ），流量系数
气氧压力
标准状况下，氧气多变指数 ，
由状态方程 得
气氧的喷出速度为
由气体直流喷嘴的质量流量方程得
喷孔直径
，圆整取
2.3.推力室身部设计
2.3.1.推力室圆筒段冷却计算
2.3.1.1.燃气的气动参数
总热流密度
取推力室圆筒段壁厚 ，则外壁面温度
总热流量
Байду номын сангаас若要求冷却水通过冷却通道时的温升为 ，则冷却水流量为
冷却水的温度可以取为
2.3.1.5.确定冷却通道参数
推力室内壁面及肋条材料为铜合金，导热系数 （温度为 ）
内壁厚 ，冷却通道高度 ，则当量直径
2.3.1.6.计算内壁面和外壁面温度
冷却通道面积
冷却剂流速
由于 ，所以推力室圆筒段满足强度要求。
4.1.2.喷管强度校核
喷管喉部轴向应力
喷管喉部最大切向应力
喷管喉部周向应力
由于 ，所以喷管喉部及整个喷管满足强度要求。
从而得出
推力室氧化剂质量流量
推力室燃料质量流量
喷管的喉部面积
喉部直径
，圆整取
喉部半径
2.1.2.燃烧室容积
取气氧-75%酒精发动机的燃烧室特征长度
燃烧室容积
2.1.3.燃烧室直径
利用燃烧室收缩比求燃烧室直径
根据经验， 推力器的燃烧室收缩比 ，取
燃烧室直径为
，圆整取
燃烧室截面面积
2.1.4.推力室收敛段型面
总热流密度
取推力室喉部壁厚 ，则外壁面温度
总热流量
若要求冷却水通过冷却通道时的温升为 ，则冷却水流量为
冷却水的温度可以取为
2.3.2.5.确定冷却通道参数
推力室内壁面及肋条材料为铜合金，导热系数 （温度为 ）
内壁厚 ，冷却通道高度 ，则当量直径
2.3.2.6.计算内壁面和外壁面温度
冷却通道面积
冷却剂流速
喷孔面积
根据质量流量方程得燃燃料流量
氧化剂喷嘴： 时的气氧密度 ，气氧的喷出速度 ，取流量系数
喷孔面积
根据质量流量方程得氧化剂流量
实际混合比
3.1.2.热力计算结果
燃气比热比： （燃烧室）， （喷管喉部）
地面理论比冲：
特征速度：
3.1.3.计算发动机推力和燃烧室压力
喷管出口直径
喷管扩张比
根据 和 计算得出口压力和燃烧室压力之比
特征推力系数
发动机实际推力系数为
推进剂总流量
发动机推力
燃烧室压力
根据以上结果，发动机推力和燃烧室压力与设计要求相差不到2%，满足设计要求。
4.推力室强度校核
4.1.1.推力室圆筒段强度校核
圆筒段所选材料为黄铜，查机械手册得： ，
轴向应力
周向应力
高温下材料的屈服极限有所下降，故采用较大的安全系数，取
许用应力
基于简单考虑，收敛段采用锥形设计，并用圆弧过渡。取半锥角 ，圆筒段与收敛段的过渡半径 ，收敛段与扩张段的过渡半径 。
收敛段长度
，圆整取
收敛段容积
2.1.5.推力室圆筒段长度
圆筒段容积
圆筒段长度
，圆整取
2.1.6.推力室喷管扩张段型面
该推力室喷管扩张段采用锥形设计，根据摩擦损失与非轴向流动损失综合影响最小的条件，扩张半角的最佳值为15°~20°。通常采用15°扩张半角的锥形喷管可以较好的平衡结构质量、长度和喷管效率之间的关系。取 。
冷却剂雷诺数
冷却剂普朗特数
冷却剂努塞尔数
冷却剂和外壁面的对流换热系数
外壁面温度
内壁面温度
由计算结果可知，推力室圆筒段内壁面温度 与假定的温度 差别不大，误差仅为 ，可以不进行重新迭代计算。铜合金在 的温度范围内不会失效，符合冷却要求。
2.3.2.推力室喉部冷却计算
2.3.2.1.燃气的气动参数
喉部燃气温度
燃气多变指数
燃气定压比热容
燃气粘度
燃气普朗特数
2.3.2.2.计算燃气与内壁面的对流换热密度
喉部横截面积
喷管喉部过渡半径
假设内壁温度：
利用巴兹法计算燃气与内壁面的对流换热系数
根据 ，查表得到考虑附面层内燃气性能变化的修正系数
燃气与内壁面的对流换热系数
燃气与内壁面的对流换热密度
2.3.2.3.计算燃气与内壁面的辐射热流密度
1.原始数据
推进剂：氧化剂：气氧；燃料：75%酒精
地面推力：
燃烧室压力：
余氧系数：
喷管出口压力：
2.推力室参数计算结果
热力计算结果
燃气比热比： （燃烧室）， （喷管喉部）
地面理论比冲：
特征速度：
2.1.推力室结构参数计算
2.1.1.喉部直径
取燃烧室效率 ，
推力室总质量流量为
气氧和75%酒精的当量混合比 ，根据余氧系数可以计算实际混合比