火箭發(fā)動機(jī)課件

教學(xué)內(nèi)容第1章噴氣發(fā)動機(jī)概述第2章火箭發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)第3章化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)工作過程的基本關(guān)系式第4章液體火箭推進(jìn)劑及燃燒第5章液體火箭發(fā)動機(jī)氣液系統(tǒng)第6章液體火箭發(fā)動機(jī)的基本組件第7章固體推進(jìn)劑及燃燒第8章固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥及內(nèi)彈道計(jì)算第9章固體火箭發(fā)動機(jī)的基本組件第10章沖壓發(fā)動機(jī)教材及參考書教材：

關(guān)英姿主編.火箭發(fā)動機(jī)教程.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005,12參考書：1.

G.P.薩頓(美國).火箭發(fā)動機(jī)基礎(chǔ).科學(xué)出版社，2003,12.王春利.航空航天推進(jìn)系統(tǒng).北京理工大學(xué)出版社，20043.楊月誠.火箭發(fā)動機(jī)理論基礎(chǔ).西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010噴氣發(fā)動機(jī)：采用噴氣反作用原理工作的發(fā)動機(jī)。

噴氣發(fā)動機(jī)可分為：

空氣噴氣發(fā)動機(jī)：噴射的工質(zhì)是利用大氣層中的空氣與發(fā)動機(jī)所攜帶的燃料燃燒產(chǎn)生的，因此，其只能在大氣層中工作。

火箭發(fā)動機(jī)：噴射的工質(zhì)是利用自身攜帶的氧化劑和燃料燃燒產(chǎn)生的，因此，既能在大氣層中工作又能在大氣層外工作。

組合發(fā)動機(jī):指兩種或兩種以上不同類型發(fā)動機(jī)的組合。

第1章

噴氣發(fā)動機(jī)概述火箭發(fā)動機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)空氣噴氣發(fā)動機(jī)組合發(fā)動機(jī)渦輪噴氣發(fā)動機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)沖壓發(fā)動機(jī)化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)電火箭發(fā)動機(jī)核火箭發(fā)動機(jī)固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)火箭基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)渦輪基組合循環(huán)合動機(jī)(SDR)(RBCC)(TBCC)Goon動力裝置的比沖與飛行馬赫數(shù)的關(guān)系Goon1.1化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)化學(xué)推進(jìn)劑燃燒室中燃燒反應(yīng)高溫燃?xì)鈬姽苤信蛎浖铀俜醋饔蒙淞魍屏?/p>

工作原理

分類Goon1.1.1液體火箭發(fā)動機(jī)液體火箭發(fā)動機(jī)推力室推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)1—燃燒擠貯箱；2—氧化劑貯箱；3—增壓閥門；4—渦輪；5—齒輪箱；6—氧化劑泵；7—燃燒劑泵；8—主閥門；9—推力室；10—燃?xì)獍l(fā)生器；11—蒸發(fā)器；12—火藥啟動器圖1.2液體火箭發(fā)動機(jī)示意圖組成分類

1）按推進(jìn)劑組元數(shù)目分為：單組元、雙組元、三組元液體火箭發(fā)動機(jī)

2）按推進(jìn)劑類型分為：可貯存推進(jìn)劑、自燃和非自燃推進(jìn)劑、低溫推進(jìn)劑液體火箭發(fā)動機(jī)

3）按完成任務(wù)形式分為：主級、助推級、上面級和空間用液體火箭發(fā)動機(jī)；

4）按推力大小分為：大推力、小推力液體火箭發(fā)動機(jī)

5）按發(fā)動機(jī)的功能分為：主推進(jìn)、輔助推進(jìn)液體火箭發(fā)動機(jī)中國運(yùn)載火箭推進(jìn)系統(tǒng)使用的主要液體發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)名稱推力/kN推進(jìn)劑應(yīng)用YF20/YF20B696.5/731.5N2O4/偏二甲肼YF21/YF21BN2O4/偏二甲肼CZ-2、CZ3、CZ4火箭第一級發(fā)動機(jī)YF2275噸(真空)N2O4/偏二甲肼CZ-2、CZ3、CZ4第二級主發(fā)動機(jī)YF234.8噸(真空)N2O4/偏二甲肼CZ-2、CZ-3、CZ4A第二級游機(jī)YF2479.8噸(真空)N2O4/偏二甲肼CZ-2、CZ-3、4A火箭第二級發(fā)動機(jī)YF405噸(真空)N2O4/偏二甲肼CZ-4A，-4B第三級YF734.5噸(真空)液氧/液氫CZ-3火箭第三級發(fā)動機(jī)YF758噸(真空)液氧/液氫CZ-3A

、3B、3C第三級發(fā)動機(jī)YF7750噸(地面)液氧/液氫YF100120噸(地面)液氧/煤油以5米模塊(2個50噸YF-77)為芯級，以4個3.35米模塊(2個120噸YF-100)為助推器。

YF24液體火箭發(fā)動機(jī)50噸氫氧發(fā)動機(jī)—YF-77120噸液氧煤油發(fā)動機(jī)—YF-1001.1.2固體火箭發(fā)動機(jī)Goon組成包括燃燒室、固體推進(jìn)劑裝藥、點(diǎn)火裝置、噴管四部分。

圖1.3

固體火箭發(fā)動機(jī)示意圖特點(diǎn)

1.1.3固液混合火箭發(fā)動機(jī)返回固液混合火箭發(fā)動機(jī)簡圖1—高壓氣瓶；2—減壓器；3—氧化劑貯箱；4—活門；5—噴注器；6—固體燃燒劑；7—燃燒室；8—噴管固液混合火箭發(fā)動機(jī)正混合：燃燒劑為固體，氧化劑為液體逆混合：燃燒劑為液體，氧化劑為固體1.2核火箭發(fā)動機(jī)返回圖1-9GoonT圖1-111.3電火箭發(fā)動機(jī)

1.3.1電熱型電火箭發(fā)動機(jī)Goon圖1-121.3.2靜電型電火箭發(fā)動機(jī)Goon圖1-131.3.3電磁型電火箭發(fā)動機(jī)返回圖1-141.4組合發(fā)動機(jī)

1.4.1固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)(SDR)SDR(SolidDuctedRocket)

燃?xì)獍l(fā)生器助推器沖壓燃燒室進(jìn)氣道整體式固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)示意圖點(diǎn)火器尾噴管非整體式固體火箭發(fā)動機(jī)示意圖SDR分為整體式固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)(ISPR—IntegralSolidPropellantRamrocket)和非整體式固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)。整體式：固體助推器和沖壓發(fā)動機(jī)共用一個燃燒室非整體式：助推器自成一體，與沖壓發(fā)動機(jī)無關(guān)，其可與固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)串聯(lián)或并聯(lián)，也可裝于補(bǔ)燃室內(nèi)，工作完拋出。固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)

(1)與火箭發(fā)動機(jī)相比較，SDR具有較高的比沖，約為：600~1200s;(2)與沖壓發(fā)動機(jī)相比較，結(jié)構(gòu)更簡單、工作可靠性更高。固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)的應(yīng)用

主要用于地空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈，如美國的地空導(dǎo)彈SAM-6（20世紀(jì)70年代）,

歐洲的Meteor（流星）超視距空空導(dǎo)彈(20世紀(jì)90年代)，俄羅斯的R-77M（20世紀(jì)90年代）。1.4.2火箭基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)(RBCC)RBCC(RocketBasedCombinedCycle)

定義：將傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機(jī)和吸氣式發(fā)動機(jī)組合在一起,形成的具有多種工作模態(tài)的發(fā)動機(jī)，在不同的飛行階段啟用不同的飛行模式，以達(dá)到發(fā)動機(jī)的最佳性能?；鸺淠B(tài)：Ma<3亞燃沖壓模態(tài)：3<Ma<5超燃沖壓模態(tài)：6<Ma<10純火箭模態(tài)：Ma>101.4.2火箭基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)(RBCC)一種典型的RBCC方案1.4.3渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)（TBCC）TBCC(TurbineBasedCombinedCycle)

定義：將渦輪或渦扇發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)組合起來形成的具有多種工作模式的發(fā)動機(jī)。渦輪或渦扇發(fā)動機(jī)模式：起飛或加速段，Ma≤3沖壓發(fā)動機(jī)模式：Ma>3按結(jié)構(gòu)布局分為：串聯(lián)式布局和并聯(lián)式布局串聯(lián)式布局的TBCC并聯(lián)式布局的TBCC特點(diǎn)利用空氣中的氧，能自主起飛和著陸，飛行軌跡靈活潛在用途軌道飛行器的第一級動力系統(tǒng)低成本高速飛行試驗(yàn)平臺的動力系統(tǒng)高速偵察機(jī)的動力系統(tǒng)高速巡航導(dǎo)彈的動力系統(tǒng)1.4組合發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)之間優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)一步提高性能充分利用空氣中的氧氣，降低動力裝置的質(zhì)量，提高有效載荷單一類型的發(fā)動機(jī)無法滿足要求空天飛機(jī)：飛行高度0~60km以上，馬赫數(shù)10以上單級入軌飛行器（SSTO)比沖與飛行馬赫數(shù)的關(guān)系產(chǎn)生反作用力的條件

1.初始能源

2.工質(zhì)

3.實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的裝置—推力器燃燒室噴管喉部t大氣壓強(qiáng)p3燃?xì)鈮簭?qiáng)pg1.推力產(chǎn)生的原因第2章火箭發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)2.1推力

2.

推力的定義

推力室的推力：推力室工作期間，作用在推力室內(nèi)表面上燃?xì)鈮毫妥饔迷谕屏κ彝獗砻嫔系?/p>

大氣壓力的合力的軸向分量。3.推力公式的推導(dǎo)假設(shè)：(1)推力室工作高度處的大氣壓強(qiáng)為常數(shù)；(2)推力室內(nèi)的燃?xì)饬鲃訛槔硐霘怏w的一維定常（恒定）流；(3)推力室為一維軸對稱體。(2.1)(2.2)(2.3)p3pgA2pdA內(nèi)壁面作用于控制體上的壓力端面壓力圖2控制體受力圖x端面壓力(2.4)（2.5）燃燒室噴管喉部t大氣壓強(qiáng)p3燃?xì)鈮簭?qiáng)pg

圖1推力室內(nèi)外表面受力圖u內(nèi)壁面作用于控制體上的力

4.推力公式討論其中，為單位時間推進(jìn)劑的質(zhì)量流量，kg/s;

v2

為噴管出口截面處的排氣速度，m/s;A2為噴管出口處的橫截面積；

p2為噴管出口處的燃?xì)獾膲簭?qiáng)；

p3為工作高度處的大氣的壓強(qiáng)。推力由兩項(xiàng)組成，第一項(xiàng)為動量推力，第二項(xiàng)為壓力推力；(2)推力公式中有A2p2項(xiàng)，說明噴管中的燃?xì)馀蛎浀綁毫榱闶遣豢赡芰恪?3)推力公式中存在-A2p3項(xiàng)，說明環(huán)境介質(zhì)的作用降低了推力室的推力。推力比沖推力/kN，比沖/s發(fā)動機(jī)的高度特性:發(fā)動機(jī)的這種推力隨飛行高度變化而改變的性質(zhì)稱為發(fā)動機(jī)的高度特性。幾種常用的推力室的推力l

設(shè)計(jì)狀態(tài)推力FD此時，，有l(wèi)

海平面推力此時，

Pa，有l(wèi)

真空推力此時，，即發(fā)動機(jī)在真空狀態(tài)下工作，有5.發(fā)動機(jī)的推力式中n和k分別是發(fā)動機(jī)的推力室和渦輪廢氣排出管的個數(shù)；

為第i個推力室提供的推力；為第j個廢氣排出管提供的推力。

泵壓式液體火箭發(fā)動機(jī)示意圖發(fā)動機(jī)代號國別類型推進(jìn)劑推力推力類型用途F-1美國液體發(fā)動機(jī)液氧/煤油6770kN(地面）大推力5臺組成土星5號一級發(fā)動機(jī)SSME美國液體發(fā)動機(jī)液氧/液氫2090kN(真空）大推力3臺組成航天飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)YF-73中國液體發(fā)動機(jī)液氧/液氫44.44kN(真空）中推力CZ-3火箭第3級發(fā)動機(jī)FY-81中國液體發(fā)動機(jī)肼9.8N,39.2N,58.8N小推力CZ-3運(yùn)載火箭第3級姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)航天飛機(jī)SRB美國固體發(fā)動機(jī)PBAN11530kN巨型推力航天飛機(jī)固體助推器FG-02中國固體發(fā)動機(jī)PS11.80kN中推力CZ-1運(yùn)載火箭第3級發(fā)動機(jī)國內(nèi)外典型化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)的推力F1發(fā)動機(jī)例題一枚火箭彈有下列特性：初始質(zhì)量200kg，火箭工作結(jié)束后質(zhì)量130kg,

有效載荷和非推進(jìn)結(jié)構(gòu)等110kg，火箭發(fā)動機(jī)工作時間3s，推進(jìn)劑平均比沖240s。求：質(zhì)量比、推進(jìn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、推進(jìn)劑流量、推力、推重比、飛行器加速度、有效排氣速度、總沖及沖重比。3.1理想火箭發(fā)動機(jī)返回基本假設(shè):1)工質(zhì)是均相的,并且其組成在整個發(fā)動機(jī)內(nèi)保持不變;2)工質(zhì)是氣態(tài)的，任何凝聚（液相或固相）物質(zhì)的質(zhì)量均可以忽略；3)工質(zhì)遵循理想氣體定律;4)在穿過發(fā)動機(jī)壁方向無傳熱過程，因而是絕熱流；5)無明顯的摩擦，忽略所有的邊界層效應(yīng)；6)噴管流動無激波或不連續(xù)性;7)推進(jìn)劑流動是定常的;8)發(fā)動機(jī)噴管排出的全部燃?xì)庵痪哂休S線方向的速度;9)在垂直于發(fā)動機(jī)軸線的任意截面上的燃?xì)獾乃俣?、壓力、溫度和密度都是均勻的?0)燃燒室內(nèi)的燃?xì)馓幱诨瘜W(xué)平衡狀態(tài)，且在噴管內(nèi)不發(fā)生化學(xué)平衡的轉(zhuǎn)移；3.2熱力學(xué)基本方程Goon（1）一維定常等熵流動的基本方程

能量方程（對于絕熱流動）質(zhì)量方程（穩(wěn)態(tài)流動，無質(zhì)量加入）狀態(tài)方程等熵方程Goon（2）常用的基本參數(shù)比熱容理想氣體的等壓比熱cp、等容比熱cv為常數(shù)。且有（3-4）（3-5）音速馬赫數(shù)

返回滯止?fàn)顟B(tài)：流體從任意狀態(tài)經(jīng)可逆絕熱過程將速度減小到零的狀態(tài)。滯止焓h0（總焓）滯止溫度T0(總溫）滯止壓力p0(總壓）3.3滯止參數(shù)返回3.4噴管的基本關(guān)系式3.4.1噴管出口的排氣速度

排氣速度公式推導(dǎo)

排氣速度的影響因素3.4.2流量公式與臨界參數(shù)

流量公式

臨界參數(shù)3.4.3噴管的面積比燃燒室噴管喉部txyyx

噴管的擴(kuò)張比（膨脹面積比）

面積比與馬赫數(shù)的關(guān)系

超音速噴管的面積比公式返回3.5推力系數(shù)

推力系數(shù)CF的定義推力除以燃燒室壓力和喉部面積的乘積。

推力系數(shù)的理論計(jì)算式

理論的極限推力系數(shù)當(dāng)p1/p3=p1/p2=∞時，有：

最佳推力系數(shù)

對于任一給定的壓力比p1/p3，當(dāng)p2=p3時，推力系數(shù)達(dá)到最大值。推力系數(shù)曲線1p1/p2最佳推力系數(shù)與壓力比、面積比和比熱比的關(guān)系圖推力系數(shù)曲線2推力系數(shù)CF與面積比ε的關(guān)系圖（k=1.2）推力系數(shù)曲線3推力系數(shù)CF與面積比ε的關(guān)系圖（k=1.2）3.6特征速度定義特征速度C*定義為燃燒室壓強(qiáng)p1和喉部面積At的乘積與質(zhì)量流量之比。理論計(jì)算式物理意義代表推進(jìn)劑組合的優(yōu)越性及燃燒室設(shè)計(jì)品質(zhì)的一個參數(shù)。3.7非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的噴管

噴管工作狀態(tài)設(shè)計(jì)狀態(tài)：非設(shè)計(jì)狀態(tài)p2=p3欠膨脹狀態(tài)：過膨脹狀態(tài)：p2>p3p2<p31.當(dāng)p3≤p2時，噴管將處于滿流狀態(tài)。2.當(dāng)p2

<p3≤2.5p2時，噴管繼續(xù)滿流。在出口截面外側(cè)將出現(xiàn)斜激波；3.隨著p3的增大，噴管擴(kuò)張段內(nèi)將產(chǎn)生斜激波，并有氣流分離現(xiàn)象。4.若p3繼續(xù)增大，噴管內(nèi)激波和流動分離點(diǎn)移到喉部，整個噴管內(nèi)均為亞音速流。拉瓦爾噴管內(nèi)的壓力分布Goon

（1）噴管出口截面能量擴(kuò)散造成的損失。（2）邊界層中較低的流動速度或壁面摩擦?xí)沟刃艢馑俣冉档?.5%~1.5%。（3）氣體中的固體顆?；蛞旱螘鸲噙_(dá)5%的損失。（4）非穩(wěn)態(tài)燃燒和流動振蕩會引起少量損失。（5）噴管流化學(xué)反應(yīng)改變了燃?xì)獾奶匦院蜏囟人斐傻膿p失，一般為5%。（6）在瞬變壓力工作時性能較低。（7）氣體成分不均勻會降低性能。3.8實(shí)際火箭發(fā)動機(jī)返回喉部壓力(%)推力降低(%)比沖降低(%)100003.5991.50.312.0965.00.551.08119.51.34小直徑燃燒室性能損失估計(jì)(k=1.2,)返回1)能量轉(zhuǎn)換效率e：噴管實(shí)際流體的比動能與理想排氣的流體的比動能之比。

2)速度修正系數(shù)ξv

:能量轉(zhuǎn)換效率的平方根。

3)流量修正系數(shù)ξd

:實(shí)際發(fā)動機(jī)的質(zhì)量流量與理想發(fā)動機(jī)的質(zhì)量流量之比。4.1液體推進(jìn)劑的分類單組元、雙組元和三組元推進(jìn)劑

單組元推進(jìn)劑：是指在同一物質(zhì)中既含有氧化劑又含有燃燒劑。雙組元推進(jìn)劑：是指一個是氧化劑，另一個組元是燃燒劑。它們被分別貯存，并且在燃燒室以外不混合。三組元推進(jìn)劑：是指由氧化劑、燃燒劑和具有小摩爾質(zhì)量的組元組成。高沸點(diǎn)推進(jìn)劑、低沸點(diǎn)推進(jìn)劑和低溫推進(jìn)劑第四章液體推進(jìn)劑及燃燒高沸點(diǎn)推進(jìn)劑：沸點(diǎn)高于298K。如硝酸、偏二甲肼、火箭煤油。低沸點(diǎn)推進(jìn)劑：沸點(diǎn)低于298K，但高于120K。如四氧化二氮。低溫推進(jìn)劑：沸點(diǎn)低于120K。如液氧、液氫、液氟氧化劑液氧硝酸四氧化二氮過氧化氫燃燒劑液氫偏二甲肼火箭煤油一甲基肼肼推進(jìn)劑組合液氧+液氫硝酸+偏二甲肼四氧化二氮+偏二甲肼液氧+火箭煤油4.3主要的液體推進(jìn)劑4.6穩(wěn)態(tài)燃燒燃燒過程（1）噴射和霧化過程（2）蒸發(fā)過程（3）擴(kuò)散混合過程（4）燃燒反應(yīng)過程Goon第5章液體火箭發(fā)動機(jī)氣液系統(tǒng)

5.1

推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)定義和功能

定義：將推進(jìn)劑從貯箱輸送到推力室的系統(tǒng)。功能:按要求的流量和壓力向推力室輸送推進(jìn)劑。分類

1）擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)

2）泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)定義借助于被輸送到貯箱內(nèi)的擠壓氣體的壓力作用將推進(jìn)劑輸送到推力室或者燃?xì)獍l(fā)生器中。擠壓氣體的來源氣源貯存的氣體高壓氣瓶連續(xù)生成氣體液體燃?xì)獍l(fā)生器固體燃?xì)獍l(fā)生器蒸發(fā)型液體燃?xì)獍l(fā)生器單組元液體燃?xì)獍l(fā)生器雙組元液體燃?xì)獍l(fā)生器受熱分解液體燃?xì)獍l(fā)生器催化分解液體燃?xì)獍l(fā)生器圖5.1

用于擠壓推進(jìn)劑的氣體的來源5.1.1擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)擠壓式系統(tǒng)方案(1)帶有高壓氣瓶(2)

帶有燃?xì)獍l(fā)生器1.推力室2.氧化劑貯箱3.燃料貯箱4.高壓氣瓶5.啟動斷流閥6.氣體減壓器7.單向閥8.發(fā)生器的氧化劑貯箱9.發(fā)生器的燃料貯箱10.增壓氧化劑貯箱用的燃?xì)獍l(fā)生器11.增壓燃料貯箱用的燃?xì)獍l(fā)生器。1.推力室2.氧化劑貯箱3.燃料貯箱4.高壓氣瓶5.啟動斷流閥6.減壓器7.單向閥5.1.2泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)

定義利用渦輪泵來提高推進(jìn)劑的壓力并輸送推進(jìn)劑的供應(yīng)系統(tǒng)。

循環(huán)方案

（1）燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)（2）膨脹循環(huán)（3）分級燃燒循環(huán)（俄羅斯稱補(bǔ)燃）

開式循環(huán)和閉式循環(huán)開式循環(huán)：渦輪工作流體經(jīng)渦輪噴管膨脹后排到發(fā)動機(jī)外或排到遠(yuǎn)離噴管喉部的噴管擴(kuò)張段處。閉式循環(huán)：所有渦輪工作流體均注入發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)，最大程度地利用其剩余能量。

雙組元燃?xì)獍l(fā)生器液體火箭發(fā)動機(jī)1—燃燒劑貯箱；2—氧化劑貯箱；3—增壓閥門；4—渦輪；5—齒輪箱；6—氧化劑泵；7—燃燒劑泵；8—主閥門；9—推力室；10—燃?xì)獍l(fā)生器；11—蒸發(fā)器；12—火藥啟動器燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)(1)單組元燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)

產(chǎn)生渦輪工質(zhì)的推進(jìn)劑是主推進(jìn)劑中的一種組元或主推進(jìn)劑以外的其他單組元推進(jìn)劑。(2)雙組元燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)

產(chǎn)生渦輪工質(zhì)的推進(jìn)劑與主推進(jìn)劑相同，但兩者的推進(jìn)劑混合比不同。液氫液氧斷流閥燃料泵氧化劑泵軸軸齒輪箱渦輪推力室膨脹循環(huán)示意圖預(yù)燃室預(yù)燃室燃料泵氧化劑泵燃料氧化劑推力室渦輪渦輪具有分級燃燒循環(huán)的渦輪泵供應(yīng)系統(tǒng)示意圖供應(yīng)系統(tǒng)的選擇原則

一般來說，當(dāng)總沖或推進(jìn)劑量相對較小、室壓較低、發(fā)動機(jī)推重比較?。ㄐ∮?.6)、需要反復(fù)的短脈沖工作時，采用擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)的飛行器的性能較好；當(dāng)總沖較大、室壓較高時，采用泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)的飛行器的性能較好。

組成和功能

Ininjectors(噴注器）Oxidantinlet（氧化劑入口）Comburentinlet(燃燒劑入口）Diagramofthecombustionchamberofaliquid-propellantengine噴管燃燒室第6章液體火箭發(fā)動機(jī)的基本部件6.1推力室推力室內(nèi)的特征截面截面i

—

噴注面截面1—

燃燒室終端面截面t

—

噴管的臨界截面截面2—噴管出口截面圖6.2推力室上的特征截面i1t26.1.1

燃燒室和噴管的形狀燃燒室的形狀球形燃燒室環(huán)形燃燒室圓筒形燃燒室燃燒室的分類

等壓燃燒室：A1/At>4

加速燃燒室：1<A1/At≤4

半熱力噴管：A1/At=1噴管的分類

錐形噴管

鐘形噴管塞式噴管膨脹偏流噴管返回喉部壓力(%)推力降低(%)比沖降低(%)100003.5991.50.312.0965.00.551.08119.51.34燃燒室性能損失估計(jì)(k=1.2,)錐形噴管Ov2圖6.3錐形噴管示意圖其中，式中Ma為錐形噴管出口排氣動量的軸向分量，Mi為理想發(fā)動機(jī)出口排氣動量。其中，α——噴管擴(kuò)張半角鐘形噴管rtrt2rtLRM（a）拋物線母線的鐘形噴管(b)圓弧母線的鐘形噴管1.5rt0.4rtLETrtθi圖6.5鐘形噴管Goon

6.1.2推力室的冷卻圖6.7再生冷卻的傳熱簡圖冷卻方法再生冷卻熱沉冷卻膜冷卻輻射冷卻燒蝕冷卻絕熱涂覆再生冷卻傳熱分析(6.3)(6.4)(6.5)(6.6)(6.7)再生冷卻機(jī)理一種推進(jìn)劑噴入燃燒室燃燒之前，首先使之流過燃燒室周圍的冷卻通道，通過強(qiáng)迫對流進(jìn)行換熱。所謂再生，是指熱量而言的。燃?xì)鈧鹘o壁的熱量，再由室壁傳給冷卻液（推進(jìn)劑的一種組元），冷卻液帶著這部分自由熱量又返回燃燒室，實(shí)現(xiàn)了熱量的再利用。優(yōu)點(diǎn)對于高室壓和高傳熱速率的場合很有效，且能量損失小，對外界環(huán)境的熱影響小，缺點(diǎn)推力室冷卻通道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了一部分水力損失。應(yīng)用用于大、中型雙組元液體火箭發(fā)動機(jī)推力室。返回機(jī)理用耐高溫的金屬制造室壁，熱能向四周輻射。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、壁薄、重量輕、工作時間長。缺點(diǎn)對環(huán)境熱影響大，成本高，熱損失大。應(yīng)用小型發(fā)動機(jī)或大型發(fā)動機(jī)噴管延長段。輻射冷卻熱沉冷卻機(jī)理利用材料的熱容性，在工作期間，在壁溫上升到破壞程度以前，熱量被足夠重的室壁所吸收，其作用好象一塊熱海綿。優(yōu)點(diǎn)成本低，熱損失小，對環(huán)境影響小；缺點(diǎn)壁很厚，尺寸大，較重，工作時間受限制應(yīng)用主要用于低室壓和低傳熱速率的情況，如較重的實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)中。Goon

燒蝕冷卻機(jī)理工作時，燒蝕材料表面逐漸吸熱而燒蝕分解，形成絕熱的多孔碳，以使熱解氣體通過放出，在多孔碳表面上形成了一個富燃的保護(hù)邊界層。優(yōu)點(diǎn)成本低，熱損失小，對環(huán)境影響小。缺點(diǎn)尺寸大，較重，工作時間受限制。應(yīng)用固發(fā)中用于燃燒室襯套、噴管延長段。液發(fā)中用于小推力發(fā)動機(jī)、脈沖式多次啟動的姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)及變推力發(fā)動機(jī)。Goon機(jī)理利用各種措施噴入液態(tài)推進(jìn)劑組元或冷氣，在室壁的內(nèi)表面形成一層液體及其蒸汽膜，用以隔離燃?xì)?，降低室壁溫度以對流的方式吸熱。?yōu)點(diǎn)工作時間長。缺點(diǎn)一種輔助的冷卻方法，發(fā)動機(jī)性能略有降低。應(yīng)用用于大型液體火箭發(fā)動機(jī)；對于固體火箭發(fā)動機(jī)有單獨(dú)的固體藥柱產(chǎn)生低溫燃?xì)?。膜冷卻

返回機(jī)理用高熔點(diǎn)金屬、難熔材料和低導(dǎo)熱性材料作為涂層，能夠提高室壁容許的溫度上限，減少傳給室壁的熱流。

涂覆材料包括：難熔金屬如鉬、鈮和鉭等，以及金屬和非金屬陶瓷如氧化鋁、氧化鋯、氮化硼（BN）等。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)工作時間受限制。應(yīng)用液發(fā)中用于小推力發(fā)動機(jī)。絕熱涂覆

薄膜的類型Goon圖6.8熱壁向流體的傳熱狀態(tài)A-B區(qū)域

強(qiáng)迫對流區(qū)域，壁溫低于冷卻液的沸點(diǎn)，液體邊界層。

B-C區(qū)域核沸騰，壁溫超過冷卻液的沸點(diǎn)約15~50K，傳熱速率增大，而溫度降并沒有成比例地增長。C-D區(qū)域膜沸騰，熱流密度下降，壁溫會很快升高，危險(xiǎn)。D-E區(qū)域Goon推力室冷卻通道的結(jié)構(gòu)

內(nèi)外壁間形成的光滑縫隙式內(nèi)壁銑出肋條與外壁連接Goon冷卻通道的形式推力室冷卻通道的結(jié)構(gòu)

內(nèi)外壁間形成的光滑縫隙式內(nèi)外壁互相連接的冷卻通道

（1）在沖壓坑處連接（2）內(nèi)壁銑出肋條與外壁連接（3）內(nèi)外壁間有波紋板管束式冷卻通道6.1.3

噴注器

分類噴注器由噴嘴組成。噴嘴主要有兩種型式：射流式噴嘴和離心式噴嘴。

組成互擊直流式自擊直流式三擊直流式撞擊式

非撞擊式淋浴式濺板式直流式噴注器離心式噴注器渦流器式‘切向孔式同軸管式噴注器內(nèi)噴嘴為離心噴嘴的內(nèi)噴嘴為直流噴嘴的噴注器直流式噴嘴雙組元射流式噴嘴單組元射流式噴嘴直流式噴嘴的基本參數(shù)計(jì)算

(1)理想流量公式一維無粘流的伯努利方程：

(2)實(shí)際流量公式Constructionlshapesofswirlinjectors離心式噴嘴離心式噴嘴理論及計(jì)算

（1）旋渦室中液體微元的切向速度結(jié)論2：液體微元的轉(zhuǎn)動半徑只能達(dá)到某個轉(zhuǎn)動半徑rv。當(dāng)r>rv時仍為液體，當(dāng)r<

rv時為介質(zhì)的氣體，

rv為氣渦半徑。結(jié)論1：切向速度隨旋轉(zhuǎn)半徑的減小而不斷增加Rvinrdrvt離心式噴嘴理論及計(jì)算

（2）旋渦室中液體微元的軸向速度將式（6.15）對r微分得：對上式積分得：Rvinrdrvt結(jié)論：軸向速度與半徑無關(guān)。（3）流量系數(shù)公式

由連續(xù)方程得：其中為出口面積充實(shí)系數(shù)

將上式代入（6.17）式得：由式（6.19）得將式（6.20）代入上式得結(jié)論：流量系數(shù)Cd取決于幾何特性A和出口截面充實(shí)系數(shù)將式（6.21）兩邊微分，并令6.2.1

渦輪Goon6.2渦輪泵Diagramoftheturbineandthevariationofthegasparametersalongtheturbine1—渦輪噴嘴;2—渦輪盤;3—渦輪葉片；4—渦輪軸；5—渦輪殼體45Goon渦輪有兩類：沖擊渦輪和反作用渦輪。沖擊渦輪：工質(zhì)的焓在渦輪噴管里轉(zhuǎn)變成動能，在動葉片中工質(zhì)僅改變速度方向，沒有焓降。反作用渦輪：工質(zhì)在渦輪噴管和動葉片中均有焓降。渦輪產(chǎn)生的功率6.2.2泵GoonDiagramofacentrifugalpump1—葉輪;2—葉片;3—蝸殼;4—擴(kuò)壓器

泵的氣蝕返回(1)泵所需要的凈正吸入壓頭(HS)

R(6.35)(6.36)(2)有效的凈正吸入壓頭(HS)

A(Hs)A=H貯箱

+H高度–H摩擦

-H蒸氣

(6.37)泵不發(fā)生汽蝕的條件：避免氣蝕的方法：

1）給貯箱增壓

2）泵前加誘導(dǎo)泵圖6-6泵吸入壓頭的定義H貯箱高度壓頭

H高度流量為零時泵進(jìn)口的絕對靜壓頭流量為零時泵進(jìn)口的絕對靜壓頭7.2推進(jìn)劑的特性燃速r的定義

燃燒過程中裝藥燃燒表面沿其法線方向向推進(jìn)劑內(nèi)部連續(xù)推進(jìn)的速度。燃速的測量7.2.2燃燒特性燃燒表面de點(diǎn)火系統(tǒng)計(jì)時裝置通風(fēng)氣體藥柱底座藥柱試樣限燃劑排氣口L圖7.1燃速測量裝置示意圖燃速的經(jīng)驗(yàn)公式（1）指數(shù)燃速公式（2）線性燃速公式

（3）薩默菲爾德燃速公式

a——燃速系數(shù)；n——燃速的壓力指數(shù)。影響燃速的因素（1）推進(jìn)劑的化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)對燃速的影響添加燃速催化劑，或增大催化劑的百分?jǐn)?shù)；減少氧化劑顆粒尺寸；增加氧化劑含量百分?jǐn)?shù)；增加粘結(jié)劑的燃燒熱。在推進(jìn)劑中加入金屬絲的方法來提高燃速。（2）發(fā)動機(jī)的工作條件對燃速的影響燃燒室的壓力裝藥的初溫燃速的溫度敏感系數(shù)壓力的溫度敏感系數(shù)圖7.2裝藥初溫對發(fā)動機(jī)壓力、推力和工作時間的影響

平行于燃燒表面的氣流速度侵蝕燃燒各種加速度作用7.4

固體推進(jìn)劑的穩(wěn)態(tài)燃燒7.4.1雙基推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理1）固相預(yù)熱區(qū)2）表面層反應(yīng)區(qū)燃面處非常薄的表層(1-3μm)，放熱量占總?cè)紵裏岬?0%左右。

3）嘶嘶區(qū)在燃面附近反應(yīng)十分劇烈，甚至嘶嘶發(fā)聲，放熱量占總放熱量的40%左右。

4）暗區(qū)積聚能量的準(zhǔn)備階段。反應(yīng)速度較慢，溫度僅為1100—1500℃，還達(dá)不到發(fā)光的程度。

5)發(fā)光火焰區(qū)圖7.5雙基推進(jìn)劑燃燒過程示意圖第8章固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥及內(nèi)彈道計(jì)算

8.1

藥型的分類及基本術(shù)語分類（1）按藥柱橫截面的幾何形狀管形裝藥星形裝藥車輪形裝藥多孔形裝藥水母形裝藥狗骨形裝藥（2）按燃燒表面隨時間的變化規(guī)律增面燃燒藥柱減面燃燒藥柱中性燃燒藥柱圖8.2按壓力-時間曲線特征區(qū)分的裝藥類型基本術(shù)語絕熱層：在固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)壁和噴管的某些部位粘貼的具有一定厚度的耐燒蝕、隔熱材料，它作為燃燒室的內(nèi)襯，保護(hù)殼體不受燒蝕。包覆層：將藥柱不參與燃燒的表面用阻燃材料覆蓋的一層。藥柱長徑比：指藥柱長度L與藥柱直徑D之比。肉厚：藥柱的最小厚度，從最初燃燒表面到絕緣殼體壁或到另一個燃燒表面交界面的距離。它是決定燃燒時間的藥柱厚度,用b表示，肉厚系數(shù)：對于殼體粘結(jié)的內(nèi)燃藥柱，肉厚系數(shù)Wf

是肉厚e1與藥柱外半徑之比：容積裝填系數(shù)：推進(jìn)劑容積Vp對可供推進(jìn)劑、絕熱層和保護(hù)層利用的燃燒室容積Vc之比(不考慮噴管)：余藥：所謂余藥是指肉厚燒完時，未燃燒的殘余推進(jìn)劑。余藥系數(shù)是指余藥截面積與藥柱初始截面積之比：式中Vf為容積裝填系數(shù)；It為總沖；Is為比沖；為推進(jìn)劑的密度。8.3常用的幾種裝藥的特點(diǎn)端面燃燒裝藥圖8.3端面燃燒裝藥推進(jìn)劑藥柱粘接絕熱層燃燒室殼體LD

幾何尺寸一般以藥柱外徑D、長度L來表征。形狀簡單、制造容易；肉厚等于藥柱的長度L，容積裝填系數(shù)很高，容易保證恒面燃燒、強(qiáng)度高；不存在侵蝕效應(yīng)；工作時間由藥柱的長度決定，可達(dá)幾百秒。發(fā)動機(jī)殼體需要較厚的絕熱層，增加了消極質(zhì)量；工作過程中發(fā)動機(jī)重心移動較大；推力較??；點(diǎn)火較困難等。側(cè)燃裝藥

包括：管形藥柱、星形藥柱、車輪形藥柱、管槽形藥柱（1）管形藥柱dDL圖8.4管形藥柱主要幾何參數(shù)有：藥柱外直徑D、內(nèi)孔直徑d和藥柱長度L幾何形狀簡單、制造工藝成熟需采取絕熱措施，增加了發(fā)動機(jī)的消極重量。燃燒結(jié)束時有碎藥噴出，還可能導(dǎo)致燃燒結(jié)束時產(chǎn)生壓力峰。（2）星形藥柱θ/2e1rlD/2επ/nπ/no1

圖8.5星形藥柱以藥柱外徑D、肉厚e1、星角數(shù)n、星邊夾角θ、過渡圓弧半徑r、星角系數(shù)ε、特征尺寸l、藥柱長度L來表征的。能提供恒面性燃燒，又可以獲得減面或增面燃燒；可以壓制也可以澆鑄成型，貼壁澆鑄時，室壁不與燃?xì)饨佑|而免于受熱，發(fā)動機(jī)工作時間可以長些。有余藥，使裝藥利用率降低，同時也使發(fā)動機(jī)壓力、推力曲線有較長的拖尾現(xiàn)象；藥型復(fù)雜，藥模制造困難，在星角處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，易產(chǎn)生裂紋，使藥柱強(qiáng)度降低。(3)車輪形藥柱以藥柱外徑D、肉厚e1、特征尺寸l、輻條數(shù)n、圓弧半徑r、輻條夾角θ、輻條長度h、幅角系數(shù)ε、裝藥長度L來表征的。典型的肉厚系數(shù)為0.2~0.3。在外徑和長度相同的情況下，其燃燒面比星形藥柱大；形狀更為復(fù)雜，又有很大懸臂質(zhì)量的輻條，在受到?jīng)_擊和振動載荷時，藥柱可能出現(xiàn)強(qiáng)度問題。由于肉厚薄，燃燒面大；適用于推力大、工作時間短的助推器和點(diǎn)火發(fā)動機(jī)上。（4）管槽形藥柱LDdl2αbe1主要幾何參數(shù)有：藥柱外徑D、藥柱內(nèi)徑d、藥柱圓柱端長度L、肉厚e1、開槽數(shù)目n、開槽長度l、開槽寬度b和相鄰槽間夾角2無余藥，藥形簡單，有較高的容積裝填系數(shù)；但為了防止槽中的燃?xì)馀c燃燒室內(nèi)壁接觸，需采用隔熱措施，使發(fā)動機(jī)的消極重量增加。適用于大肉厚（肉厚系數(shù)為0.5~0.9）、高容積裝填系數(shù)的中小型固體發(fā)動機(jī)。8.4單室雙推力藥柱單室雙推力藥柱的類型（1）采用高低兩種燃速的推進(jìn)劑（2）采用不同