火箭发动机

自身既携带燃料又携带氧化剂的喷气发动机称为火箭发动机。 火箭发动机携带的推进剂的燃烧不需要依靠空气中的氧， 既能在大气层内工作， 也能在大气层以外的宇宙空间中工作， 其工作性能与飞行器的飞行条件关系不大。 目前， 火箭发动机仍然是在大气层以外飞行或者宇宙航行的唯一可用的推进装置。

火箭推进装置的能源可以是化学能、 电能、 核能和太阳能等， 目前最成熟、 应用最广泛的是采用化学能的化学火箭推进装置。

化学火箭推进装置的能源是化学推进剂的化学能， 推进剂燃烧后变成高温高压气体， 通过喷管膨胀， 气体流速加速到1800～4300m／s， 高速喷出后， 产生推动飞行器运动的反作用推力。 因此， 化学火箭发动机的推进剂是能源载体， 其燃烧产物又作为推进工质， 两者是同一物质产生的， 而电能、 核能和太阳能火箭发动机的能源和工质往往是不同的物质。 例如， 核能火箭发动机的能源是核反应堆 （裂变、 聚变或放射性同位素衰变）， 工质通常是液氢， 经反应堆加热后， 在喷管中膨胀加速， 最后喷射出去产生推力。 太阳能火箭发动机利用聚焦太阳能加热工质。 电弧加热火箭利用电弧加热工质。 电火箭发动机的电能也可以由化学能、 太阳能或核能转变而来。

所有的化学火箭发动机都是热力发动机， 热量传给工质通常是在定压或接近定压的条件下完成的。 根据推进剂物理状态的不同， 可以将化学火箭推进装置分为固体火箭发动机、 液体火箭发动机、 固液混合火箭发动机和凝胶推进剂火箭发动机。 目前， 固体火箭和液体火箭推进技术得到了广泛的应用。 固体火箭发动机是最简单的化学火箭发动机， 由于其固有的优点而应用更为广泛。

1. 固体火箭发动机 （solid propellant rocket engine）

固体火箭发动机使用固体推进剂， 燃烧剂和氧化剂预先均匀混合， 制成一定形状和尺寸的固体药柱 （装药）， 直接安放在燃烧室中。 固体火箭发动机的基本结构包括点火装置、 装药、 燃烧室和喷管等， 如图1-3 （a） 所示。

2. 液体火箭发动机 （liquid propellant rocket engine）

液体火箭发动机使用的液体推进剂由液态燃烧剂和液态氧化剂组成。 液体推进剂可以是单组元 （reactant） 推进剂 （如肼）， 也可以是双组元推进剂 （如液氢和液氧） 并分别贮存在各自的贮箱中。 液体火箭发动机工作时， 液态燃烧剂和液态氧化剂通过输送系统输入燃烧室， 经喷注系统喷注雾化和混合后， 在燃烧室中点燃并燃烧。 因此， 液体火箭发动机的主要组成部分是液体燃烧剂和氧化剂及它们各自的贮箱、 输送系统 （包括调节系统）、 喷注系统、 燃烧室和喷管等， 如图1-3 （b） 所示。

3. 固液混合火箭发动机 （hybrid propellant rocket engine）

固液混合火箭发动机采用固体燃烧剂和液体氧化剂， 主要组成部件包括液体氧化剂及其贮箱、 输送系统 （含燃气发生器、 调节系统）、 喷注系统、 固体燃料药柱、 燃烧室和喷管等， 如图1-3 （c） 所示。

固液混合火箭发动机是针对固体推进剂和液体推进剂的优缺点提出的， 目前大多采用“固体燃料＋液体氧化剂” 的组合方式。 固体燃料一般是 “轻金属 （如铍、 锂、 铝） 的氢化物＋聚合物”， 如 “氢化锂＋聚丁二烯”。 其中， 端羟基聚丁二烯 （HTPB） 成本低、 安全性和力学性能好，应用最多。液氧是最清洁的氧化剂，IRFNA、H2O2、Cl F3是能量较高的可贮存氧化剂，Cl F3以及Cl F5密度高，是目前的研究热点。

图1－3 化学火箭推进装置

（a） 固体火箭发动机； （b） 液体火箭发动机； （c） 固液混合火箭发动机

固液混合火箭发动机的优点主要有：

（1） 制造、 存贮、 操作比液体推进剂更安全， 不易发生爆燃或爆炸；

（2） 相对于固体火箭发动机， 固液混合火箭发动机具有重启能力；

（3） 相对于液体火箭发动机， 固液混合火箭发动机的成本较低；

（4） 推力调节范围可大大扩宽；

（5） 比冲比固体火箭发动机高， 密度比液体推进剂高。

固液混合火箭发动机也有不足之处， 主要是：

（1） 推力调节时， 比冲损失增大；

（2） 固体推进剂余药量大；

（3） 可靠性没有得到完全证实；

（4） 密度比固体推进剂低， 比冲比液体火箭发动机低。

4. 凝胶／膏体推进剂火箭发动机

凝胶／膏体推进剂是在燃料中加入增稠剂或胶凝剂等物质， 形成的胶状或牙膏状的一类特殊推进剂， 兼具固体和液体推进剂的优点。 它采用挤压方式控制质量流率， 可以调节发动机的推力。

膏体推进剂 （pasty propellant） 由固体推进剂发展而来， 外观呈牙膏状， 是未经完全固化的固体推进剂。 加入其他黏合剂或增稠剂等成分， 可以对其能量和安定性进行调节， 比一般的固体推进剂具有更高的品质； 凝胶推进剂 （gel propellant） 则由液体推进剂发展而来，实质为经过一定固化的液体推进剂。 可添加金属颗粒以进一步提高能量和密度比冲， 并保证颗粒相不沉降。

与一般的固体推进剂和液体推进剂相比， 凝胶／膏体推进剂具有如下优点：

（1） 安全性好： 无须浇铸、 固化等工艺， 降低了生产成本和危险性。 凝胶／膏体推进剂蒸发缓慢， 可以减缓运输或者贮存过程中的燃料泄漏。 应用于火箭武器时， 属于 “钝感弹药” 范畴。

（2） 能量高： 加入一定量的金属颗粒， 可以提高推进剂的能量和密度比冲。

（3） 推力可调： 凝胶／膏体推进剂受剪切时能够像液体推进剂一样流动， 方便能量分配与管理， 容易实现推力调节。 装填系数高， 近似于端面燃烧的固体推进剂装药， 有利于提高射程。

（4） 贮存性好： 研究表明， 凝胶／膏体推进剂可以保存10年以上。 胶凝结构比早期的浆体推进剂更稳定， 不易发生变质和颗粒沉降。

膏体推进剂一般为单组元推进剂， 主要用于火箭发动机。 膏体推进剂火箭发动机可分为一次启动和可重复启动两大类。 一次启动的发动机只工作一次， 主要特点是燃速高、 高压下不会发生爆轰、 力学性能好、 抗过载能力强等， 可用于快速拦截器的助推器。 其示意图如图1-4所示。

图1－4 膏体推进剂火箭发动机示意图

凝胶推进剂一般为双组元推进剂， 可用于火箭和冲压发动机。 TRW （美国天合） 公司与Telley防务系统公司共同研制了凝胶导弹推进系统， 如图1-5所示。 采用活塞驱动， 分开装填燃料和氧化剂， 在燃烧室内混合燃烧。 图1-6为另一种凝胶火箭发动机构型， 以氧气作为氧化剂， 采用气动喷嘴雾化燃料， 喷雾进入燃烧室燃烧。 凝胶冲压发动机的进展不及火箭发动机， 尚停留于实验室阶段。 以色列理工大学开展了实验室规模的煤油凝胶冲压发动机实验研究， 涉及凝胶碳氢化合物燃料 （有和无金属添加剂） 的雾化、 点火和燃烧过程，以及冲压发动机的总体性能等方面。 凝胶火箭发动机结构目前尚不成熟。

图1－5 TRW公司研制的凝胶推进系统

图1－6 凝胶火箭发动机典型结构