液体推进剂火箭发动机的种类

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：液体推进剂火箭发动机根据把推进剂供给到燃烧室内的方法分为通过气体压力供给的方式和通过涡轮泵进行加压供给的方式，采用哪种方式，应根据推力的大小、运行时间、火箭种类、推进剂的种类等进行选择。近来，运载火箭用液体推进剂火箭系统主要采用气体发生方式。气体发生器所使用的燃烧推进剂量约为发动机全部推进剂消耗量的5%以下。

液体推进剂火箭发动机根据把推进剂供给到燃烧室内的方法分为通过气体压力供给的方式和通过涡轮泵进行加压供给的方式，采用哪种方式，应根据推力的大小、运行时间、火箭种类、推进剂的种类等进行选择。

1.气体压力供给方式

此方式是把非活性气体（氦气、氮气等）以高压储存在高压储气箱中，并利用非活性气体的压力把燃料箱内的推进剂压出供给到推力室的方法，因此称为加压式。通常把加压用气体直接储存在高压储气箱中使用，此外还有利用推进剂的汽化气体、液体的蒸发气体、化学反应生成的气体等方式。气体的物理特性方面要求分子量小，在储藏状态密度高，与推进剂和推进器壁面材料具有相容性（没有化学性干涉和溶解性）等。初期主要使用了非活性化气体的氮气，但氮气对液氧产生冷凝溶解反应，因此目前多使用氦气等低凝固点气体。

气体压力供给方式如图13-40所示。通常，加压用气体的压力为推进剂燃料箱压力5～8倍的10～35MPa范围内。加压用氦气（10）通过位于高压储气箱出口的热交换器（13）和压力调节器（12）调整为一定的压力后，经过单向阀（1）、（5）进入推进剂燃料箱（3）、（7）内，并对燃料和氧化剂施压。此气体在推进剂消耗完后，还能起到不使推进剂在供给管和阀门等部位残留而进行清除作业的作用。非活性气体高压储气箱内的加压气体压力p_gas，应大于燃烧室压力p_a、喷射器中的压力降Δp_i、推进剂管路和冷却套等流动压力损失Δp_L、包括压力调节器的加压气体管路中的压力降和损失Δp_g等的合压力，如下的压力关系式应成立。

p_gas>p_c+Δp_i+Δp_L+Δp_g

2.涡轮泵供给方式

液体推进剂火箭发动机几乎全部利用此方式。这是利用涡轮驱动泵把推进剂（燃料和氧化剂）强制供给到推力室的方式，主要使用在高推力和运行时间较长的液体推进剂火箭上。对气体加压式来说，如果燃烧时间增加，加压气体量和加压储气箱的尺寸也相应地增大。但涡轮泵式与燃烧时间无关，并且推进剂燃料箱内部压力低也无妨，可以设计为薄壁燃料箱，因而可以做到燃料箱轻量化，减轻整体火箭的重量。

图13-40 气体压力供给式液体推进剂火箭发动机

1—单向阀 2—加压器 3—燃料箱 4—加压氢气体管路 5—单向阀 6—加压器 7—氧化剂箱 8—燃料供给管 9—燃料箱充填嘴 10—高压氦气箱 11—燃料主阀和流量调节孔 12—调节器 13—热交换器 14—燃料箱卸压阀 15—氧化剂箱卸压阀 16—氧化剂箱充填嘴 17—氧化剂供给管 18—氧化剂主阀和孔 19—燃烧室 20—喷管

涡轮泵式根据产生涡轮驱动用气体的方法，分为气体发生方式和膨胀方式。气体发生方式（气体发生器循环）又称为分离流动循环。图13-41所示为通过泵加压的部分燃料和氧化剂旁通进入气体发生器（10）内进行燃烧，以利用燃烧气体驱动涡轮的方式。膨胀方式是利用推进剂（燃料和氧化剂）冷却推力室后膨胀的高温推进剂气体驱动涡轮，并把从涡轮排出的推进剂气体引入主燃烧室利用其剩余能量的方法，又称为附加流动循环（Topping flow cycle）。气体发生方式可以把从涡轮排出的气体压力做到低压状态，但膨胀方式因从涡轮排出的推进剂气体要供给到主燃烧室，因此必须以大于主燃烧室的压力进行膨胀。因此，气体发生方式效率（或有效功）会高。如果对比推力进行比较，气体发生方式高出1%～5%，可以说此值对航天器性能的影响还是较大的。

近来，运载火箭用液体推进剂火箭系统主要采用气体发生方式。但是，气体发生方式因利用燃料和氧化剂燃烧产生的气体驱动涡轮，存在过高的气体温度会融化涡轮叶片的危险。因此控制混合气为浓混合气，把气体温度保持在600～1100°C范围内。气体发生器所使用的燃烧推进剂量约为发动机全部推进剂消耗量的5%以下。通常，气体发生器产生的燃烧气体驱动涡轮后，通过排气管直接排放到大气中。还有一种情况是，把燃烧气体从主发动机喷管扩散段下游引入到喷管内部，以利用浓混合气状态燃烧的剩余能量获得少量的附加推力。此时，在喷管入口点的压力与涡轮排气压力相同的位置引入才能有效。

图13-41 涡轮泵供给式液体推进剂火箭发动机

1—单向阀2—加压器 3—燃料箱 4—单向阀 5—加压氢气体管路 6—加压器 7—氧化剂箱 8—燃料供给管 9—高压氦气箱 10—气体发生器 11—涡轮驱动用气体发生器 12—涡轮 13—调节器 14—热交换器 15—涡轮排气用喷管 16—燃料箱卸压阀 17—氧化剂箱卸压阀 18—加压器 19—燃料箱充填嘴 20—氧化剂箱充填嘴 21—燃料泵 22—氧化剂泵 23—齿轮盒 24—氧化剂主阀 25—燃料主阀 26—燃烧室 27—喷管

液体推进剂火箭发动机的种类

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