液体火箭发动机技术

现代推进原理与进展第四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。第四章液体推进剂火箭发动机第四章液体推进剂火箭发动机现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机4.1液体推进剂4.2结构原理4.3燃烧过程4.4工作性能现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机回忆：固体推进剂火箭发动机的优缺点？现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机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现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机常见液体推进剂常见液体氧化剂：液氧（LO）：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（HNO3，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，RP-1，甲烷等烃类）液氢（LH）：清洁燃料，成本高还有肼（N2H4），偏二甲肼（UDMH），一甲基肼（MMH）等现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机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）现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机常用液体推进剂的物理性能推进剂类型沸点/K密度/（kg/m3）×103分子量液氢H2液氧O2液氟F2甲烷CH4RP-1硝酸（99%）四氧化二氮N2O4肼N2H4一甲基肼偏二甲肼低温低温低温低温可贮存可贮存可贮存可贮存可贮存可贮存20.49085.02111.6460~540355.7294.3386.66360.63360.0711.141.6360.4240.581.5491.4471.0050.87880.8562.01632.038.016.03~17563.01692.01632.0546.07260.10思考：从表中数据分析推进剂性能的优缺点。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机从表中分析，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。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）。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机双组元液体推进剂的常见组合有：a)LO+LH（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)LO+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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机4.2结构原理液体推进剂火箭发动机的典型结构主要包括：a)推进剂输送系统b)贮箱c)推力室d)喷注系统现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机高压气瓶泄液阀推力室加注口充气阀减压阀排气阀单向阀限流阀燃料箱氧化剂箱液体推进剂火箭发动机结构原理图现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机a）推进剂输送系统（propellantfeedsystem）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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机图1液体推进剂火箭发动机结构原理图高压气瓶泄液阀泄液阀过滤器推力室加注口加注口阀门充气阀减压阀排气阀排气阀单向阀单向阀限流阀燃料箱氧化剂箱现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机图2大型液体推进剂火箭发动机结构原理图燃料泵阀门推力室高压氦气涡轮排气喷管增压阀涡轮组件换热器燃料氧化剂氧化剂泵燃气发生器燃气涡轮现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机b）贮箱（propellanttanks）：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：现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机C）推力室（thrustchambers，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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机D）喷注系统（injectingsystem）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（injectors）结构。一种90°双股自击撞击式喷嘴现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机喷嘴主要分为三类：a)撞击式b)非撞击式c)同心套管式(a)双股互击式(b)三股互击式(c)自击式(d)淋浴头式(e)同心套管式燃料氧化剂燃料氧化剂氧化剂燃料燃料氧化剂液氧气氢内管外套管现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机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。推力室中的燃烧过程示意图流管燃烧区超声速膨胀区快速燃烧区喷射/雾化区燃烧室燃烧区亚声速流动喷注器现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机喷射雾化区，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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机快速燃烧区，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。H2扩散火焰O2液滴的扩散燃烧示意图现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机流管燃烧区，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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机燃烧一般包括下述过程：a）推进剂经过喷嘴高速（15~100m/s）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。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机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工作性能现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机4.4.1推力定义混合比则eaeee)(VmppAVmFfuoxmmrfufuox)1(mrmmm现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机思考：给定喷管，要求设计出满足一定推力的火箭发动机，如何确定液体氧化剂和液体燃料的流量（已知混合比）？现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机给定喷管，总流量是由推力大小决定的：液体氧化剂和液体燃料的流量由混合比决定：eVFmmrrm1oxmrm11fu现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机4.4.2喷嘴尺寸02Const21pVpBernoulli方程代入连续方程→221Vp→pV2pAApVAm22引入流量修正系数，则有pAcmmΔ2V=0p0pVBernoulli流动mc现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机已知压差和流量，通过上式可以确定满足流量条件的喷嘴尺寸，即pcmrnAmΔ22oxoxox2oxoxoxΔ2oxpcmrnAm对于氧化剂和燃料，分别为fufufu2fufufuΔ2fupcmrnAm现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机不同喷嘴的流量系数喷口类型结构示意图直径/mm流量系数锐边孔2.5≤2.50.610.65左右进口有倒园的短管（L/D3.0）1.001.571.00（L/D≈1.0）0.880.900.70锥型进口短管0.501.001.572.543.180.700.820.760.84~0.800.84~0.78螺旋效应短管1.0~6.40.2~0.55锐边锥孔1.001.570.70~0.690.72现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机4.4.3喷射速度和喷嘴夹角根据流量公式，可得喷嘴的喷射速度为/Δ2Δ2pcApAcAmVmm现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机喷嘴夹角示意图根据动量守恒，撞击前后的守恒关系式为方向—方向—yVmVmVmxVmVmVmsinsinsincoscoscosfufufuoxoxoxfufufuoxoxoxyx氧化剂射流燃料射流fuox合成射流撞击点mV.mfuVfu.moxVox.现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机两式相除，得fufufuoxoxoxfufufuoxoxoxcoscossinsintanVmVmVmVm时，往往具有良好的性能（如流动总压损失最小），则0fufufuoxoxoxsinsinVmVm现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机4.4.4混合比的确定混合比r的选择应当考虑如下因素：a)在较大的流动范围内保持为常数，或近似常数；b)在适当的化学当量比附近，以提高燃烧效率；c)考虑不同推进剂组合的物理和化学特性，提高燃烧能量，如液氢，可考虑富燃，可降低燃气分子量，从而提高能量。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机混合比r的确定步骤如下：a)选用的喷嘴形式应使流量系数在很大的雷诺数范围内保持为常数，即b)为匹配合适的混合比r，一般先用水流试验。保持压差相同，这时，则根据流量公式，可以建立混合比的关系式为fuoxfuoxfuoxfuoxΔΔfuoxppAAccmmrmm该式建立了混合比与喷嘴（包括流量系数）、压差以及密度之间的匹配关系。ConstccdfdoConstfuoxmmccfuoxfuoxΔΔppfuoxfuoxAAccrmm现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机例：已知某火箭发动机液体氧化剂和燃料的推出压差均为3MPa，密度均为1.14×103kg/m3，推进剂混合比为1:5。火箭喷管排气速度为Ve=2500m/s，喷嘴数量均为10个，试设计喷嘴大小，使火箭产生推力达到10kN。不考虑流量损失。现代推进原理与进展第四章液体推进剂火箭发动机解：欲产生10kN的推力，当Ve=2500m/s时，必需的燃气流量为0.4250