1,第六讲 火箭发动机,2,6.1 火箭发动机的作用、特点及分类 火箭推进系统（火箭发动机）是一种喷气推进装置，靠喷射推进剂产生推力 特点：工作不依靠空气，是大气层外飞行和宇 宙航行的主要动力装置 分类（按推进剂）： 液体推进剂火箭发动机、 固体推进剂火箭发动机、 混合推进剂火箭发动机3,1 液体火箭发动机,X-15高超音速试验机使用液体火箭发动机创造大气层内飞机飞行速度纪录M5.1354,1 液体火箭发动机,图6.1 液体推进剂火箭发动机,液体推进剂在压力作用下由贮箱输送到推力室，经反应得到热燃气，该热燃气经加速从Laval喷管高速喷射而出，并将冲量施加于飞行器系统5,2.固体推进剂火箭发动机,图6.2 固体推进剂火箭发动机,固体推进剂（药柱）在燃烧室或发动机壳体内燃烧通常在药柱的暴露表面上按预定的速率缓慢平稳地燃烧6,3.混合推进剂火箭发动机,既使用液体推进剂，又使用固体推进剂如将液体氧化剂喷射到含碳固体药柱的燃烧室内，经化学反应得到热燃气7,6.2 火箭发动机的主要性能参数,推力、喷气速度、推力系数、总冲、比冲、推力质量比等。
表征火箭发动机性能和工作质量的基本性能参数大致有:,8,6.2.1 推力,推力——作用在发动机内外表面上的合力由动量定理可以推出：,式中， — 动推力,为推力主要部分；约90% — 静推力，由此，可得几种工况的推力9,1. 设计推力状态：pe＝pa,2. 海平面推力,3. 真空推力,10,图6.4 推力随高度的变化曲线,11,6.2.2 喷气速度,, — 燃气产物的平均摩尔质量；R0— 通用气体常数, 8.3144J/kmol.K；pe—喷管出口处的燃气压力；pc—燃烧室出口处的燃气压力；K—燃气的比热比 由此可见：ue与推进剂性能有关，也与喷管的膨胀比有关12,6.2.3 质量流率,下角t表示喷管临界截面6.2.4 推力系数,— 推力系数，它表征喷管的特性13,6.2.5 总冲与比冲,如果推力恒定：It=Pt,总冲反映了发动机的综合能力大小火箭发动机总冲是发动机工作过程中推力对时间的积累效应14,比冲——燃烧1kg质量推进剂所产生的总冲：,,,mp——推进剂总有效质量；Is—平均比冲。
对液体火箭发动机，比冲为每秒消耗1kg质量的推进剂所产生的推力大小：,,,,,比冲是火箭发动机的一个重要性能参数15,6.2.6 密度比冲和推进剂的混合比,总冲——整个燃烧时间t内推力(可能随时间的变化）的积分： 密度比冲定义为单位体积推进剂流量所产生推力：,T——推进剂密度推进剂的混合比定义为氧化剂流量与燃烧剂流量之比：,16,推进装置的能源与推进剂,17,典型化学火箭发动机与两种通管 推进系统性能比较,18,例题6-1 设某型火箭特性如下： 初始质量 200kg； 发动机工作结束后质量 130kg 有效载荷、非推进系统结构质量 110kg 发动机工作时间 3.0s 推进剂平均比冲 240s求：火箭的质量比；推进剂质量分数；推进剂流量；推力；推重比；加速度；等效排气速度；总冲19,解：飞行器质量比MR1：,发动机系统质量比MR2（发动机系统空载质量与初始质量分别为：20kg,90kg.,推进剂质量为200-130=70(kg), 推进剂流量为：,推进剂质量分数为：,推力,等效排气速度,总冲,20,6.3 液体火箭发动机,液体火箭发动机推进剂的组元平时存放在单独的储箱里，工作时，利用专门的推进剂输送系统分别将它们送进燃烧室。
按液体火箭发动机推进剂的输送系统（增压装置）分为挤压式和泵压式6.3.1 液体火箭发动机的工作原理,21,,22,1.挤压式输送系统的液体火箭发动机,借助高压气体的压强，将推进剂由贮箱经管路、活门、喷注器送入燃烧室进行燃烧高压气体应采用惰性气体：氮气、氦气，或空气等挤压式输送系统的贮箱工作压力为1.3~9MPa，高压气瓶压力达6.9~69MPa 系统结构简单，易实现多次起动适用于小推力或工作时间较短的发动机，通常有多个推力室如运载火箭上面级推进系统和航天器姿态控制发动机23,图6.5 挤压式供应系统示意图,24,液体双组元推进剂由一种液体氧化剂（如液氧）和一种液体燃料（如煤油）组成 单组元推进剂是一种同时包含氧化成分和燃料成分的液体，对其适当催化后即分解为高温燃气25,2. 泵压式输送系统,泵压式输送系统靠泵来输送推进剂泵靠涡轮驱动涡轮的输出功率则又来自炽热气体膨胀而获得的能量 泵压式液体火箭发动机系统通常用于推进剂量大、推力大的场合，如运载火箭的动力装置中涡轮泵输送系统有多种方式26,2. 泵压式输送系统,用于泵压式输送系统的贮箱，相对较轻。
只需对其略微增压，以防泵入口处的“汽蚀”，平均压力为0.07~0.34MPa一般可用压缩空气、氦气、低沸点氧化剂（如液氢）汽化产生的蒸汽增压 泵压式系统还可分为开环和闭环系统开环系统：来自涡轮的工作流质不再进入发动 机燃烧室；闭环系统：来自涡轮的全部工作流质被喷入发 动机燃烧室，再次利用27,图6.6 具有涡轮泵输送系统和独立的燃气发生器的液体火箭发动机,,闭环系统能更有效地利用燃料，性能比开环系统更高，一般可提高比冲1~5%28,图6.7 用于液体火箭发动机的各种涡轮泵输送系统示意图,29,开环系统： 1）燃气发生器循环系统推动涡轮的工质是较低温度的燃气 2）抽气循环系统（燃烧室气体分流系统）取消了燃气发生器，但从燃烧室引出燃气技术难度大 3）冷却剂分流或泄漏系统局限于以液氢为燃烧剂的发动机涡轮功率较低闭环系统： 1）膨胀循环系统涡轮作功能力与提高燃烧室压力是一对矛盾，一般上限为7~8MPa 2）分级燃烧循环系统（补燃式循环系统）涡轮输出功率大，对涡轮制造要求高。
30,图6.8 用液氢和液氧做推进剂的航天飞机 主发动机分级燃烧系统的流动简图,31,6.3.2 液体火箭发动机的推进剂,液体火箭推进剂是一种或几种液体物质的组合，包括燃烧剂和氧化剂 它们能够进行放热的化学反应，形成高温的反应产物，用以直接产生反作用推力 推进剂组元指单独储存并单独向发动机供给的推进剂组成部分32,燃烧剂是推进剂中的可燃物质： 液氢，偏二甲肼，一甲基肼，煤油等氧化剂是推进剂中的助燃物质： 液氧，四氧化二氮，氟，氯，硝酸等 单组元推进剂： 过氧化氢（H2O2）,无水肼，肼，硝基肼33,一、对液体推进剂的要求,(1) 能量特性高，即比冲和密度比冲高,H——喷管中的焓降， H=He-Hс;Q——推进剂的热值(J/ kg)34,(2) 物理化学性能稳定 许多推进剂能做到长期（15年以上）贮存不变质、不分解，低冰点、液态范围宽，与大气反应极小希望推进剂没有明显的吸湿性，有少量杂质时不产生不良效应；推进剂在工作或贮存期间甚至在温度升高时不会分解，与管道、贮箱壁、密封材料接触时不发生化学变质。
3) 可作为冷却剂 用于冷却推力室的推进剂，希望比热高、导热系数高、沸点高、分解温度高等特性35,(4) 输送、雾化性能好 粘度小、表面张力系数小，可使流阻与喷管压力损失小，有利于喷射、雾化、混合，提高燃烧效率而推进剂蒸汽压和密度随时间的变化过大或黏度随时间变化过高，将使火箭发动机流动系统难以得到精确控制36,(5) 满足发动机起动迅速、平稳的要求 对非自燃推进剂要求着火延滞期小，着火温度低，对自燃推进剂自燃时滞小有时军事用途发射时，还要求无烟和无排气火焰6)废气、废水处理容易，不会严重污染环境 燃烧产物不应严重污染环境火焰中的电子还会造成无线电干扰或衰减7) 来源较丰富，价格较低37,1. 液氧(O2），缩写为LOX 淡兰色透明液体，溶点54.4Ko， 沸点90.1Ko，密度为1144kg/m3化学性能稳定与乙炔、甲烷、氢气等以适当的比例混合极易爆炸 2. 四氧化二氮(N2O4) 高密度棕色液体，溶点261.9Ko， 沸点294.3Ko，密度为1451kg/m3化学性能稳定二、常用的液体氧化剂,已得到应用的主要有：液氧和液氟的混合物、OF2、ClF3、或ClF5等。
38,3. 硝酸(HNO3) 纯硝酸为无色工业硝酸因含水和氮氧化物而呈现棕红色（红烟硝酸，RFNA）火箭发动机用硝酸含水量不得超过4%密度1.5~1.6m.p. -42℃, b.p. 83℃. 在硝酸中加入磷酸、氢氟酸可减少其对于材料的腐蚀性；加入适量四氧化二氮（称发烟硝酸，深红色）可提高氧化能力、热值和密度，降低冰点和腐蚀性，及改善点火性能如AK-20，AK-27，AK-40等，表明其N2O4含量优点：来源丰富、价廉、易贮存沸点、密度高，与肼类燃料形成自燃推进剂缺点：有毒；对金属有腐蚀性；需防护39,4. 过氧化氢(H2O2) 为70%~99%的高浓度过氧化氢X-1和X-15曾使用 在推力室里，其在催化剂作用下发生分解，产物为过热蒸汽和气态氧优点：排气无毒缺点：稳定性差；受污染的液体过氧化氢必须在达到448K左右的危险温度前处理掉，否则会发生爆炸；对人体皮肤可能造成灼伤；与木材、油料及许多有机物接触会起火40,5. 四氧化二氮(N2O4) 为黄褐色高密度液体美国最常用的可贮存氧化剂大力神火箭使用冰点-11.23°C，沸点21.5°C 优点：中等腐蚀性，但吸湿后成强酸。
于相容 材料制成的密封容器中可无限期贮存缺点：液态范围窄，易结冰或蒸发41,三、常用液态燃料,1.液氢（H2） 无色透明液体，热值高，比热大与液氧的推进剂无毒，对结构材料不腐蚀，燃烧产物为水蒸汽，无污染 易蒸发、易爆炸采用氮气置换法进行置换溶点19.5Ko， 沸点20.4Ko，密度为71kg/m3化学性能稳定，可用不锈钢、镍铬合金、高镍钢、低碳钢等作容器42,2. 火箭煤油 主要成分是烷烃、环烷烃、芳香烃水白色至淡黄色不等沸点高，容易存储，稳定性好本身是优良的溶剂，对冲击、振动等不敏感 热值比酒精高，比肼类燃料低；燃烧不太稳定，不能与常规氧化剂组合成自燃推进剂，但加入一定量偏二甲肼（称油肼，有毒，与硝酸等可组成自燃推进剂）可改善点火性能和燃烧稳定性43,3. 肼类燃料 最常用的是偏二甲肼(CH3)2N-NH2，UDMH，还有无水肼N2H4，混肼-50（偏二甲肼和无水肼各50%），一甲基肼CH3NH-NH2等 偏二甲肼，无色液体，有吸湿性、带鱼腥味稳定性好，与一般金属相容，对橡胶、塑料等有泡涨作用在隔离空气的条件下能长期储存；储存温度低于48.80C。