航天技术概论第2章(哈工大版)

1、第二章第二章 动力装置动力装置1组组 成成 推力室，推进剂输送系统，储箱，机架，调节器 推进剂：单组元：硝基甲烷（ CH3NO3 ），过氧化氢，肼 双组元：氢/氧、偏二甲肼/氧化二氮、氢/氟2特特 点点 a. 结构设计简单；b. 推力稳定、可调，时间可控； c. 可随意开关车；d. 工作时间长； e. 比冲高；f. 服务复杂，存贮、运输、加注、输送（高压，低温）2.3.1 发动机的结构及工作原理发动机的结构及工作原理 液体火箭发动机一般由推力室推力室、推进剂的贮箱贮箱，强迫推进剂进入推力室的推进剂输送系统推进剂输送系统，控制推进剂流量的调调节器节器和发动机架机架等构成。 9 推力室； 1、2

2、推进剂贮箱； 6、7 推进剂输送泵； 8 流量调节器； 第二章第二章 动力装置动力装置1.推力室 推力室是液体推进剂进行喷注、雾化、混合和燃烧，并使燃气膨胀以高速喷出产生推力的部件产生推力的部件。包括喷注器、燃烧室和喷管喷注器、燃烧室和喷管三部分。喷注器燃烧室喷管第二章第二章 动力装置动力装置2.推进剂输送系统 将推进剂从贮箱输送到推力室的系统称为推进剂输送系统。目前液体火箭发动机的输送系统有挤压式和泵压式挤压式和泵压式两种。 （1）挤压式输送系统 借助于高压气体的压强，将推进剂由贮箱挤压到推力室中。借助于高压气体的压强，将推进剂由贮箱挤压到推力室中。第二章第二章 动力装置动力装置1燃烧剂贮箱

3、； 2氧化剂贮箱；3增压活门； 4涡轮；5齿轮箱； 6氧化剂泵；7燃烧剂泵； 8主活门；9推力室； 10燃气发生器；11蒸发器； 12火药启动器（2）泵压式输送系统 利用涡轮泵提高来自贮箱的推进利用涡轮泵提高来自贮箱的推进剂的压强，使推进剂按规定的流量和剂的压强，使推进剂按规定的流量和压强进入燃烧室压强进入燃烧室。第二章第二章 动力装置动力装置 2.3.2 液体推进剂液体推进剂 1.液体推进剂的分类单组元、双组元和三组元推进剂单组元、双组元和三组元推进剂 单组元推进剂单组元推进剂：是指在同一物质中既含有氧化剂又含有燃烧剂。 双组元推进剂双组元推进剂：是指一个组元是氧化剂，另一个组元是燃烧剂。它

4、们被 分别贮存，并且在燃烧室以外不混合。 三组元推进剂三组元推进剂：是指由氧化剂、燃烧剂和具有小摩尔质量的组元组成。高沸点、低沸点和低温推进剂高沸点、低沸点和低温推进剂第二章第二章 动力装置动力装置高沸点推进剂高沸点推进剂：沸点高于298K。如硝酸、偏二甲肼、煤油。低沸点推进剂低沸点推进剂：沸点低于298K，但高于120K。如四氧化二氮。低低 温推进剂温推进剂：沸点低于120K。如液氧、液氢、液氟 2.主要的液体推进剂氧化剂 液氧液氧 硝酸硝酸 四氧化二氮四氧化二氮 过氧化氢过氧化氢燃烧剂 液氢液氢 偏二甲肼偏二甲肼 火箭煤油火箭煤油 甲肼甲肼 肼肼推进剂组合 液氧液氧+ +液氢液氢 硝酸硝酸

5、+ +偏二甲肼偏二甲肼 四氧化二氮四氧化二氮+ +偏二甲肼偏二甲肼 液氧液氧+ +火箭煤油火箭煤油第二章第二章 动力装置动力装置3. 液体推进剂的性能* 能量性能的要求：比冲高。* 使用性能的要求： (1) 沸点高，冰点低，密度大； (2) 有足够的理化稳定性； (3) 有足够的抗机械冲击的稳定性； (4) 不易突然爆炸,与材料有相当好的相容性; (5) 物理性质随温度变化应尽量小； (6) 满足可以作为冷却剂的要求； (7) 应该容易点火以及点火延迟时间小,推进剂和 燃烧产物的毒性要小。 * 经济性要求： 价格低廉。原材料丰富，生产工艺、设备简单、制造容易。第二章第二章 动力装置动力装置RS

6、-68火神-2RD-180YF-75YF-100推进剂液氢/液氧液氢/液氧液氧/煤油液氢/液氧液氧/煤油输送系统类型泵压式泵压式泵压式泵压式泵压式真空推力（KN）33141350415078.451176(地面）真空比冲(Ns/kg)40184253.2330443123304 (地面）应用德尔它-4运载火箭芯级发动机阿里安5改进型主发动机宇宙神3和宇宙神5运载火箭长三甲、长三乙运载火箭第三级长征5号运载火箭典型液体火箭发动机技术性能比较第二章第二章 动力装置动力装置F-1发动机J-2发动机第二章第二章 动力装置动力装置RD-170发动机HM-7B发动机第二章第二章 动力装置动力装置50吨氢氧

7、火箭发动机YF100 液氧/煤油发动机第二章第二章 动力装置动力装置第二章第二章 动力装置动力装置2.4 固体火箭发动机固体火箭发动机2.4.1 发动机的组成与特点 组组 成成：燃烧室燃烧室、喷喷 管管、推进剂药柱推进剂药柱、点火装置点火装置 特特 点点： a. 点火容易，时间短，可短时工作（十分之几秒），推力大 b. 结构简单，操作方便，可靠，长期（5-10年）贮存，快速发射 c. 机动性强，不用加注，附属设少，转移快战术、机动战略 导弹，90%为固体发动机。 d. 能量低，比冲小。 e. 推力终止技术复杂，但可在旋转、失重状态下工作。2.4.2 发动机的结构 由燃烧室、药柱、点火装置和喷管

8、燃烧室、药柱、点火装置和喷管四部分组成。第二章第二章 动力装置动力装置固体火箭发动机示意图n点火电加热，引燃热敏药，加强药，点火药（P，T提高），此时燃烧室内为1/4-1/3主药工作压力（10-50大气压）n主装药燃烧生成高温、高压燃气，火焰温度，2200-3700，压力100-200大气压。n加速、喷出通过喷管加速、超音速喷出。第二章第二章 动力装置动力装置2.4.3 固体推进剂 固体推进剂分为两大类： 1）均质推进剂 2）异质推进剂均质推进剂均质推进剂：从微观结构上看比较均匀，在同一分子内既包含 燃烧剂又包含氧化剂。如双基推进剂。异质推进剂异质推进剂：从微观结构上看是不均匀的，由固体颗粒氧

9、化剂、 金属粉末和胶体状态的粘合剂组成。如复合推进剂 和复合改性双基推进剂。 要要 求：求：a. 密度比冲高；b. 燃烧性能好；c. 力学性能、工艺性 能好；d. 化学安定性；e. 成本第二章第二章 动力装置动力装置第二章第二章 动力装置动力装置液体火箭发动机与固体火箭发动机的对比液体火箭发动机与固体火箭发动机的对比1.固体火箭发动机比液体火箭发动机的结构和设计简单结构和设计简单。2.固体发动机的推力和工作时间受环境初温影响较大初温影响较大，而液体发动机则不然。3.液体发动机可以随意开随意开/ /关车关车，而固体发动机是不可以的。4.一般来说，对于大推力大推力、工作时间长工作时间长的发动机，采

10、用液体发动机比较有利，而对于工作时间短的发动机，多采用固体发动机。5.液体火箭推进剂的比冲比冲一般比固体火箭推进剂的高。6.液体发动机的推力调节容易推力调节容易实现，而固体发动机推力调节较难。7.液体发动机的地面勤务地面勤务处理要比固体发动机复杂复杂的多.第二章第二章 动力装置动力装置2.5 组合发动机组合发动机第二章第二章 动力装置动力装置第二章第二章 动力装置动力装置3.1 空气动力学基础知识空气动力学基础知识3.1.1 空气流动时的基本规律 状态参数及状态方程 状态参数状态参数：密度 、压强P 和温度T。RTP状态方程状态方程：空气常数，R287.053 m2/(s2K)kP常数等熵方程

11、等熵方程:绝热指数 气体流动质量守恒方程 对于连续介质的稳态流动，在同一时间内，流进任意截面的在同一时间内，流进任意截面的气体和从另一截面流出的气体质气体和从另一截面流出的气体质量相等量相等，即1 11222v Av AC 伯努力方程（能量守恒方程） 在定常流动和绝热条件下，伯努力方程为：221vkPCk 音速和马赫数1）音速音速 音速：微弱扰动在介质中的传播速度微弱扰动在介质中的传播速度。 空气中的音速2）马赫数马赫数Ma 马赫数Ma：气体流动速度v与音速a之比，即2dPPakkRTdMa/v aMa 0.4 低速运动； 0.4 Ma 0.75 亚音速运动；0.75 Ma 1.2 1.4 跨音速运动；1.21.4 5 高超音速运动 气体流动特性方程 气体流动特性方程如下：Ma 1.0 时： dv和dA同号，即气流气流加速加速需要需要增大增大通道横截面积通道横截面积2(Ma1)dAdvAv 激波和膨胀波1）激 波 当物体与空气以超音速超音速相对运动时，正面的空气被突然压缩形成堆积而形成的强烈的空气压缩波。 激波分为正激波正激波和斜激波斜激波两种。正激波正激波：波面和运