（精）空间飞行器设计-第6讲.ppt

第六讲 火箭发动机 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。 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。 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： 6.2.2 喷气速度 6.2.3 质量流率 6.2.5 总冲与比冲 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： 推进装置的能源与推进剂 典型化学火箭发动机与两种通管推进系统性能比较 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。 解：飞行器质量比MR1： 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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 (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、