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1、第四章 液体火箭推进系统 n第一节 液体火箭发动机的特点、分类与应用 n第二节 液体火箭推进系统的发展 n第三节 液体火箭发动机的工作过程n第四节 液体火箭发动机的基本组成 n第五节 液体火箭推进系统 n第六节 液体火箭推进剂 n第七节 小推力液体火箭推进系统 n第八节 液体火箭推进系统典型实例 第一节 液体火箭发动机的特点、分类与应用n一、 液体火箭发动机的特点n1 比冲高和推质比高 n2 主要性能参数可控性和可调性强n3 工作时间长 n4 推力随飞行高度增加而增大 n二、 液体火箭发动机的分类 n三、 液体火箭发动机的应用 n1 运载火箭 n2 航天飞机 n3 航天器 n4 战略导弹和战术
2、导弹 返回第二节 液体火箭推进系统的发展 n一、 发展简史 n二、 发展趋势n1 进一步提高液体火箭发动机的性能 n2 加强对发动机和各组件工作过程的理论研究 ： 欲提高推力室及涡轮泵的效率，需加强对推力室工作 过程及涡轮、泵内三维流的理论研究 。 为提高发动机的可靠性，需加强对燃烧室燃烧不稳性 课题的研究，加强提高推进系统整体可靠性的研究，特别 是在更长的寿命期内的可靠性研究。 n3 研制新型组合发动机 返回第三节 液体火箭发动机的工作过程 n一、 推力室工作过程n1 燃烧室稳态燃烧过程 n2 推力室内的能量转换 n3 推力室燃烧准备过程 n4 着火与燃烧 n5 推力室气体流动过程 n二、
3、液体火箭发动机的工作过程n1 启动过程n2 关机返回1 燃烧室稳态燃烧过程n(1) 雾化混合n在雾化混合区内，推进剂雾化、蒸发，并使燃料和氧化剂的雾化及蒸 发形成的蒸气宏观混合 n(2) 混合气回流区n在此区内，有推进剂蒸发后形成的未燃气体，还有已燃气体。 n(3) 燃烧区n实验研究表明，燃烧室在稳态燃烧时，燃烧区及其火焰前锋在燃烧室 中的位置基本不变，而且存在两种不同状态的稳态燃烧，即“缓慢”燃 烧和“爆震”燃烧(或称爆燃)。 n(4) 燃烧产物区n在这一区域，燃烧已基本结束，只是在很小尺度范围内进行紊流混合 和补充燃烧。 返回2 推力室内的能量转换n分析推力室的能量转换可以将推力室分为四个
4、特征截面来分析 ：截面 i喷注面： 视推进剂为原始状态。 截面c燃烧室终端面：认为推进剂的化学能已转化为平衡状态下 的热能。 截面t喷管临界面： 此截面处具有燃气流动的特征参数Ma=1，在 此截面前Ma1，在此截面后Ma1。 截面e喷管出口截面： 此截面处燃气流速达到最大值。 返回3 推力室燃烧准备过程 n(1) 雾化过程 n 雾化作用： 燃烧室内的燃烧过程在很大程度上受液滴蒸发质量的 影响。 雾化机理： 雾化是由喷嘴来实现的。 影响雾化质量的因 素： 影响雾化质量的因素较多，归纳有以下几点： a 喷嘴形式及 喷口尺寸。 b 喷嘴压降。 c 推进剂性质。 d 燃烧室压力和温度 。 n(2) 蒸
5、发过程 n液滴蒸发过程需要热量。对于一般非自燃推进剂，其热源当然是点火 源；而自燃推进剂，那就依靠自燃推进剂的燃料与氧化剂混合接触时 的液相反应放出的热量作热源。 n(3) 混合过程 n推进剂的燃料与氧化剂混合应按设计要求规定的混合比，才能保证完 全燃烧。 返回4 着火与燃烧 n(1) 着火n由于可燃混合物(气或液)自身温度提高，致使化学反应速度急剧增长 而引起着火称之自燃。n在燃烧理论中，自燃分为热自燃和链自燃。 n可燃混合物的点燃是指借助外加的热源来点燃，在着火理论上称强迫 着火理论。 n(2) 燃烧 n液体火箭发动机燃烧室内不需火焰稳定器 。液体火箭发动机推力室 内从推进剂的混气形成、点
6、火到稳定燃烧，是由头部区和燃烧区内介 质的流动速度较低及燃气回流传热来保证实现 。返回5 推力室气体流动过程 n(1) 等熵气体流动 n质量守恒方程vA=qm n能量守恒方程v2/2+h=h0 n等熵方程p/k=c(常量) n 状态方程p/=RT/M n基本关系式：下一页 返回n(2) 气动函数 n温度比n压比n密度比n音素比上一页 下一页 返回n面积比n速度系数n动压函数n流量函数上一页 下一页 返回n(3) 主要参数关系式上一页 下一页 返回上一页 下一页 返回上一页 下一页 返回上一页 返回1 启动过程n(1) 启动准备阶段 n在启动准备阶段要完成以下几项任务：n 贮箱增压或预先增压；n
7、 对导管和泵的内腔进行预冷(对低温推进剂而言)；n 对氧化剂和燃料启动阀门后面的导管、泵腔、推力室和燃气发生器的内腔用 惰性气体(氮或氦气)进行吹除。 n(2) 涡轮泵启动阶段n涡轮泵启动阶段通常有以下几项工作：n 打开供应系统的启动阀门、液体推进剂组元充填泵前的导管和泵腔。n 火药启动器点火或高压气瓶阀打开使涡轮泵工作。n 燃气发生器开始工作。n 打开推力室氧化剂和燃料供应管路上的主阀门 下一页 返回n(3) 推力室工作阶段n推力室工作阶段有以下几项内容：n 推进剂组元充填主阀门后面的导管和推力室头部(喷注器)前的内 腔，按指令经喷注器喷嘴两组元进入燃烧室雾化、混合。n 点火： 由程序控制，
8、点火器工作点燃混气，两组元开始燃烧。火 焰沿推力室向后传播，燃烧产物从喷管口排出。燃烧室开始建立压强 ，发动机依次由初始工况进入主级工况，不过转入主级工况所需时间 很短。上一页 下一页 返回2 关机n(1) 关机过程的特征参数n 后效冲量： 从发出关机指令开始，到推力下降至零这段时间内产 生的推力冲量，称为推力后效冲量，简称后效冲量。 n 后效冲量偏差： 它是由于发动机工作条件不同而引起的。 n 关机减速性： 是指关机指令发出到推力室燃烧停止且燃气完全排 空的时间。 n 关机水击现象： 关机时，阀门的突然关闭会引起其上游管路内液 体的压力增加，此现象称关机水击。 下一页上一页返回n(2) 关机
9、过程的主要任务 n 关机初始阶段： 它包括以下几项工作： a 转入低工况工作 关机工况； b 停止供应系统工作，关闭燃气发生器双组元断流阀门 ，推进剂终止进入燃气发生器，涡轮泵停止工作； c 停止贮箱增压 ； d 关闭两组元主阀门、切断推力室推进剂的供应，通常是按顺序 先后切断氧化剂和燃料供应； e 关闭泵前泵，把涡轮泵腔内的推进 剂吹除干净。 n 关机结束阶段： 用惰性气体吹除断流阀门后内腔道，在吹除压力 作用下，将主导管和推力室内腔的推进剂挤入燃烧室，直到燃烧完， 然后将燃烧产物从推力室中完全吹除掉。 上一页 返回第四节 液体火箭发动机的基本组成 n一、 推力室 n二、 涡轮泵 n三、 燃
10、气发生器 n四、 阀门与调节器 返回一、 推力室n推力室是产生推力的核心结构部件。它由喷注器、燃烧室和喷管组成n推力室是推进剂在其内燃烧并完成能量转换产生推力的场所。n典型推力室结构示意图 （如下）：1头部；2身部；3集液器 下一页上一页返回二、 涡轮泵n1 涡轮泵的功能与特点 n涡轮泵的特点是该输送系统所需要的泵进口压力较低，显然相应的贮 箱增压要求也低，而推力室进口处推进剂所需的高压由泵提供，从而 可以减轻贮箱的结构质量。 n2 涡轮泵的分类与组成 n(1) 推进剂泵 推进剂泵的作用是提高推进剂流体的压强。液体火箭发动机推进剂泵 包括氧化剂泵和燃料泵。仅就泵的结构本质，其类型有容积式、叶片
11、 式和射流式三种泵。n(2) 涡轮 n 涡轮的特点与分类 涡轮的性能参数 下一页上一页返回三、 燃气发生器 n1 基本组成 n燃气发生器是产生高温燃气的装置。它的结构类似液体火箭发动机的 推力室，是由喷注器、燃烧室和喷管组成。燃气发生器有单组元和双 组元两种类型。 n 喷注器： 燃气发生器的喷注器分直流式和离心式两种。n 燃烧室： 燃器发生器的燃烧室具有冷却系统，采用再生冷却或辐 射冷却。 n 喷管： 燃气发生器的喷管只有收敛段，这是与发动机推力室的喷 管区别之处。 下一页上一页返回n2 工作原理 n n双组元推进剂燃气发生器工作时，通常由泵后推进剂主管路中引出少 量氧化剂和燃料，送入燃气发生
12、器中混合燃烧，产生具有一定的温度 和压强的燃气进入涡轮，驱动涡轮运转，从而接替火药启动器初始启 动涡轮的工作，使涡轮转入正常工作阶段。n燃器发生器结构：上一页下一页 返回四、 阀门与调节器 n(一) 阀门 n1 阀门的分类 ：n按用途功能分类有启动阀门、主阀门、单向阀门、加注阀门、卸压阀 门以及安溢阀门、清洗阀门、调节阀门及隔离阀门等。n按工作次数分类有一次工作阀门和多次工作阀门两类。 n按操纵能源分类可分为气动阀门、液压阀门、电动阀门、电磁阀门及 电爆阀门等。 n按阀芯结构形式分类可分为菌阀、球阀、蝶阀、闸阀、膜片阀及切刀 阀等。 n按阀门常处状态分类可分为常开式和常闭式，在无控制力作用时，
13、由 弹簧力作用或保持关闭或保持开启状态。 下一页上一页返回n2 典型阀门的工作原理与要求 n液体火箭发动机对不同功能的阀门有不同的性能要求。但是在最基本 的要求上是相同的，如要求阀门严格按预定程序自动工作、动作响应 快且动作准确到位、能适应发动机的各种苛刻的工作环境与工作条件 等n举例说明 ： (1) 隔离阀 (2) 断流阀 (3) 电磁阀 (4) 电爆阀 上一页 下一页 返回n(二) 调节器 n根据调节参数不同，调节器分为压力调节器和流量调节器；按工作流体 不同又可分为气体减压器和液体调节器。n1 气体减压器 n(1) 气体减压器的作用与分类 n 气体减压器的作用： 概括说起来是一减压，二稳
14、压，具体是：a 将高压气瓶压力降到某一定值，以利于挤压供应系统挤压发动机需 用的推进剂，也就是说减压器出口的压力应满足规定要求，出口压力精 度高，而且动态特性好。b 如果减压器出口压力是用来操纵各种阀 门，则要求减压器瞬间流量大，响应速度快。c 如果用于发动机吹 除系统，其出口压力很低，要求流量大但精度不高。 气体减压器的分类： 按工作原理分类可分为直接作用式和先导式， 而直接作用式又分为正向式和反向式；按卸荷情况分类可分为卸荷式和 非卸荷式；按加载方式分类可分为重力式、弹簧力式和气压加载式；按 敏感元件分类可分为膜片式、柱塞式、波纹管式等；按精度分类可分为 一般精度、中等精度和高精度三种。
15、上一页下一页 返回n(2) 气体减压器的基本组成 气体减压器主要由敏感元件、节流组件、基准载荷元件、卸荷元件、 过滤元件及安全装置等组成。n(3) 气体减压器的工作原理及典型结构 气体减压器的稳压原理在于力的平衡作用。 典型的气体减压器结构有正向膜片式减压器、反向卸荷式减压器、反 向波纹管式减压器、正向柱塞式减压器等。 上一页 下一页返回n2 液体调节器n (1) 推力的调节 n在实际工程上有几种方法可实现推力的调节： 用调节液体燃气发生 器组元流量的方法调节推力。 用调节燃气发生器组元混合比的方 法调节推力。 用调节推力室入口组元供应压力的方法调节推力。 用调节推力室组元流量的方法调节推力。 n (2) 混合比的调节 n混合比的调节要达到两个目的：一是为了将推力室组元混合比保持在 一定范围内，以利于得 到高的能量特性、可靠的冷却及稳定的工作 状态；二是发动机工作结束时，能保证贮箱内的氧化剂与燃料同时耗 尽，或将贮箱内的剩余组元减到最少的程度。 上一页下一页 返回n (3) 推力调节器 n压力稳定器的工作原理是： 当参考压力pC (燃烧室压力)增高时，压力 稳压器原有的液体压力、参
