液体火箭发动机技术

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 1 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 2 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 3 回忆 固体推进剂火箭发动机的优缺点 4 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 5 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 6 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 7 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 8 常用液体推进剂的物理性能 思考 从表中数据分析推进剂性能的优缺点 9 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 10 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 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 11 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 12 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 13 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 14 图1液体推进剂火箭发动机结构原理图 15 图2大型液体推进剂火箭发动机结构原理图 16 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 17 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 18 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 19 喷嘴主要分为三类 a 撞击式b 非撞击式c 同心套管式 20 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 21 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 4 4 1推力 定义混合比 则 27 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 28 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 29 4 4 2喷嘴尺寸 Bernoulli方程 代入连续方程 引入流量修正系数 则有 V 0p0 pV Bernoulli流动 30 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 对于氧化剂和燃料 分别为 31 不同喷嘴的流量系数 32 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 33 喷嘴夹角示意图 根据动量守恒 撞击前后的守恒关系式为 34 两式相除 得 时 往往具有良好的性能 如流动总压损失最小 则 35 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 36 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 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 37 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 38 解 欲产生10kN的推力 当Ve 2500m s时 必需的燃气流量为 kg s 混合比