[科普中國]-固液火箭

定義

混合式火箭是一種使用液態(tài)和固態(tài)推進(jìn)劑的火箭。

分類兩種類型混合式火箭分為固液混合式和液固混合式兩種。

種類特點(diǎn)液固混合式發(fā)動(dòng)機(jī)是燃燒劑為液體，氧化劑為固體，而固液混合式發(fā)動(dòng)機(jī)正好與它相反。

從性能上說，固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比推力高于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，低于高能液體發(fā)動(dòng)機(jī)，與可貯存的液體發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)。從系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)來說，這種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是簡單緊湊，缺點(diǎn)是燃燒效率低，推進(jìn)劑混合比不易控制，調(diào)節(jié)推力時(shí)能量損失較大。

固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)代導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭和航天器大都采用液體或固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),使用固液混合式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的極少。從20世紀(jì)50年代后期開始,一些國家先后對固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開展了研究和試驗(yàn)。

液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)過不斷改進(jìn),這兩類發(fā)動(dòng)機(jī)的某些性能雖有提高,但單液體或單固體推進(jìn)劑的一些固有缺點(diǎn)仍然存在。

研制進(jìn)展1956年,美國發(fā)表了用H2O2和聚乙烯作推進(jìn)劑的固液發(fā)動(dòng)機(jī)的第一批試驗(yàn)研究資料,此后美國許多公司,以及法國、瑞典和前西德的一些專門機(jī)構(gòu)也開展了研究,希望能綜合固、液兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)和工作過程看似簡單,但初步研究表明,如果無法解決固2液推進(jìn)劑的燃燒等一系列技術(shù)問題,它就不可能形成真正的競爭力。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn),不采取技術(shù)措施時(shí),固2液推進(jìn)劑的燃燒度很低,固液發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒不完全的損失可達(dá)百分之幾十,而液體和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的損失只有百分之幾。另外還發(fā)現(xiàn)沿藥柱通道長度上有燒化不均的現(xiàn)象,這是因?yàn)楣腆w組元汽化強(qiáng)度(燃燒速率)與通道內(nèi)燃?xì)饬鬟\(yùn)動(dòng)的條件(即內(nèi)彈道性能)有關(guān)。固液發(fā)動(dòng)機(jī)非常適合于要求推力可調(diào)、需多次啟動(dòng)點(diǎn)火2關(guān)機(jī)的任務(wù),但在調(diào)節(jié)過程中,推進(jìn)劑的混合比(氧/燃比)可能會(huì)明顯改變,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)能量特性的降低,且推進(jìn)劑組元可能不在同一時(shí)間內(nèi)燃盡;同時(shí)重新啟動(dòng)點(diǎn)火后也可能存在一致性問題。由于這些原因,固液發(fā)動(dòng)機(jī)并未表現(xiàn)出比其他類型發(fā)動(dòng)機(jī)更突出的性能,其研制的必要性和可能性也受到了質(zhì)疑。由此可見,固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制的難點(diǎn)主要是燃燒室內(nèi)部過程。如果選擇有特性的推進(jìn)劑,設(shè)計(jì)合理的裝藥形狀,選取相應(yīng)的液體組元噴霧機(jī)構(gòu)類型與參數(shù),以及采用使燃燒室氣流產(chǎn)生紊流的擾流裝置等,就可非常明顯地提高燃燒完全度。目前,燃燒室的燃燒完全系數(shù)可達(dá)理論值的0.95或更高。另外,對發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的推進(jìn)劑氧/燃比變化也有了一些補(bǔ)償辦法,如選用能保證固體組元有一定汽化規(guī)律的推進(jìn)劑組合和采用特殊燃燒室等。在解決固液推進(jìn)劑燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)等重要問題后,固液發(fā)動(dòng)機(jī)有望獲得工作的高穩(wěn)定性、對裝藥缺陷的不敏感性和多次啟動(dòng)的可能性等良好特性。2

應(yīng)用成果有:

a)采用具有其他重要特性的低效推進(jìn)劑這類發(fā)動(dòng)機(jī)包括正方案發(fā)動(dòng)機(jī)等,其中氧化劑為高沸點(diǎn)的推進(jìn)劑(N2O4,H2O2及其他),發(fā)動(dòng)機(jī)比沖約為2600～3000N?s/kg。固液發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡單可靠、價(jià)格低廉、操作使用方便,可長期貯存。因推進(jìn)劑組元密度大,故容積比沖較大,結(jié)構(gòu)緊湊。曾裝備美國海軍飛靶SandpiperA上的發(fā)動(dòng)機(jī)(如圖1所示)即為其典型范例。在1967年的飛行試驗(yàn)中,該飛靶飛行馬赫數(shù)3～4,飛行高度27km,并可作機(jī)動(dòng)飛行,推力270～2270N,燃燒室直徑254mm。

b)采用加入第三組元的高效推進(jìn)劑

這類發(fā)動(dòng)機(jī)采用高效的低沸點(diǎn)推進(jìn)劑(氧氟混合物),推進(jìn)劑中加入了第三組元,其比沖不低于最有效的液體發(fā)動(dòng)機(jī),容積比沖高于較好的液體發(fā)動(dòng)機(jī)。在其他條件相同的情況下可能制造出結(jié)構(gòu)更緊湊的飛行器。但由于采用了液化氣體或加入了第三元,系統(tǒng)及其操作較為復(fù)雜,高可靠性難以保證。

1970年初,美國聯(lián)合技術(shù)中心完成了第一系列固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用高能推進(jìn)劑,擬用于德爾它運(yùn)載火箭的上面各級,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它以聚丁乙烯為燃料,鋰和氫化鋰為添加劑,液體氟氧混合物為氧化劑。發(fā)動(dòng)機(jī)直徑稍大于1m,長約3.7m,推力50kN,工作時(shí)間約80s。

國外有關(guān)研究資料指出,固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可用于解決運(yùn)載火箭的飛行穩(wěn)定問題。此時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)可采用含高沸點(diǎn)氧化劑的推進(jìn)劑,要求的推力不大(有時(shí)小于10N),但工作時(shí)間較長,可多次啟動(dòng)和關(guān)機(jī)。這類發(fā)動(dòng)機(jī)在空間環(huán)境條件下的穩(wěn)定性較好、啟動(dòng)和關(guān)機(jī)簡單、沖量值較準(zhǔn)確,具有用于調(diào)節(jié)推力的可能性,長期工作安全性好,適用于長期依靠慣性飛行,且需周期性啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空間任務(wù)。

另外,對三組元推進(jìn)劑固液發(fā)動(dòng)機(jī)(將氫引入燃燒室)的研究表明,在宇宙火箭上面級中應(yīng)用該種發(fā)動(dòng)機(jī),可明顯地增加火箭的有效載荷。

c)造價(jià)低、安全性好的發(fā)動(dòng)機(jī)

國外對用于運(yùn)載火箭第一級的大推力固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也進(jìn)行了研究。美國的研究者認(rèn)為,固液推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)將是所有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中最低的。大型固液發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可能有多種,如能獲得汽化速度(燃燒速率)很高的固體裝藥,就有可能制造出單燃燒室的固液發(fā)動(dòng)機(jī)。在汽化速度不大的情況下,必須采用燃燒室束形式,如圖3所示。

固體火箭助推器曾被普遍認(rèn)為具有成本低、簡便和安全的優(yōu)點(diǎn)。但大力神運(yùn)載火箭和挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)的失事表明,它存在有一些嚴(yán)重的安全問題。另外,固體助推器的成本也明顯高于可重復(fù)使用系統(tǒng),且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此與固體發(fā)動(dòng)機(jī)相比,固液助推系統(tǒng)可能具有更安全、可選用無毒推進(jìn)劑、無環(huán)境污染,以及比沖等于或大于固體火箭的優(yōu)點(diǎn)。為此,國外對用固液助推器替代固體助推器的可行性進(jìn)行了分析。1986年首次研究了固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可能的應(yīng)用領(lǐng)域,研制出了固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量及性能模型,模型考慮了固液推進(jìn)劑混合燃速低和工作過程中混合比不斷變化的特點(diǎn)。該研究在歐洲阿里安25P及日本H2Ⅱ運(yùn)載火箭固體助推器數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,結(jié)果表明,對這兩種運(yùn)載火箭來說,采用固液火箭助推器時(shí)的有效載荷運(yùn)載能力與原方案相同,固液助推器可替代固體助推器。 用固液推進(jìn)系統(tǒng)替代固體助推器,需進(jìn)行全新的研制工作,可供參考的經(jīng)驗(yàn)極少。目前的開發(fā)重點(diǎn)是推力水平約113.4t的大型混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。1993年,美國火箭公司率先試驗(yàn)了一種推力113.4t的LOX/HTPB(端羥基聚丁二烯)混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。1999年,一個(gè)由多家宇航公司組成的集團(tuán)也試驗(yàn)了幾種推力相同的LOX/HTPB固液發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)。在這些運(yùn)載火箭捆綁助推器候選方案中,有一種在HTPB中加入了聚亞癸基甲醛(PCPD),燃料密度比單使用HTPB時(shí)增加了約10%。發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型剖面如圖4所示。相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為:最大工作壓力6.2MPa;最大真空推力113.4t;初始喉部直徑370.8mm;初始噴管膨脹比12;液氧流量(流量可調(diào))190.5～272.3kg/s;燃料質(zhì)量20.73t;燃燒時(shí)間80s。汽化室翅片和擾流器用于延長火焰在燃燒通道內(nèi)的停留時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明,欲研制出能穩(wěn)定燃燒的大型混合發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型,還需要做更多的工作,如進(jìn)一步了解影響燃料汽化速率的各種因素等。3

固液發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的典型特點(diǎn)是:固體燃料藥柱與流過其表面的液態(tài)或氣態(tài)氧化劑發(fā)生燃燒(正方案);或固體氧化劑藥柱與流過其表面的液態(tài)或氣態(tài)燃料發(fā)生燃燒(反方案)。在許多情況下,推進(jìn)劑兩種組元處于不同聚集態(tài)時(shí),可以獲得最高的能量特征或最大的推進(jìn)劑密度。在混合式發(fā)動(dòng)機(jī)中,可以使用一些根據(jù)相容性條件不能在固體發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的組元,并與氧化劑的比例保持為最佳值。

比沖

介于固體發(fā)動(dòng)機(jī)和液體發(fā)動(dòng)機(jī)之間,能很容易地達(dá)到固體推進(jìn)劑中高能推進(jìn)劑的水平。在標(biāo)準(zhǔn)膨脹比(68∶1)下,不同液體、固體和混合推進(jìn)劑的比沖見表1。

可多次啟動(dòng)關(guān)機(jī)可使液體氧化劑在受控狀態(tài)下噴入固體燃料通道,并自燃點(diǎn)火啟動(dòng)。液體氧化劑停止噴入,固體燃料的燃燒隨之停止。這種特性可為空間長時(shí)間飛行提供更大的工作安全裕度。

推力可調(diào)可通過控制活門調(diào)節(jié)氧化劑流量,大范圍調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力,推力2時(shí)間曲線可變。

安全性好固液發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中只有純固體燃料,液體氧化劑貯存在貯箱中。只有在啟動(dòng)時(shí),即增壓輸送系統(tǒng)將氧化劑噴入燃燒室固體燃料通道后,才能由接觸而燃燒,且混合燃燒基本只沿氧化劑噴入通道進(jìn)行。因此,其工作方式不同于固體火箭,它不完全依賴殼體粘接,燃燒室壁面的微小泄漏不會(huì)影響燃燒,漏氣通道也不會(huì)增大。而對固體火箭,同樣的缺陷將造成災(zāi)難性事故。從系統(tǒng)的角度來看,當(dāng)火箭發(fā)生爆炸或渦輪斷裂等事故時(shí),固體或液體助推器會(huì)隨之發(fā)生嚴(yán)重爆炸。但固液混合助推器則一般不會(huì)出現(xiàn)這種后果,因?yàn)榧児腆w燃料只有與噴入的液體氧化劑接觸后才能燃燒。所以,在運(yùn)輸和貯存期間,只要氧化劑與固體燃料的混合處于有效控制之下,即使有外部損傷,固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也不會(huì)發(fā)生燃燒。因此,其TNT當(dāng)量接近于零,比固體和液體火箭更安全。

可選用無毒推進(jìn)劑（無環(huán)境污染）固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)排出的燃燒物含氯化氫和氧化鋁,會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境;可貯存液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排出物也存在同樣的問題。而固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)選用液氧/固態(tài)烴作為推進(jìn)劑,其燃燒產(chǎn)物極為潔凈,不會(huì)引起環(huán)境污染。典型固體與液氧/聚乙烯混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排出物的比較見表2。

推進(jìn)劑成本低與固體火箭推進(jìn)劑相比,液氧/固態(tài)烴混合推進(jìn)劑價(jià)格較低。典型固體推進(jìn)劑與液氧/聚乙烯混合推進(jìn)劑的成本為:固體推進(jìn)劑(過氯酸胺+鋁+粘接劑)為80.0德國馬克/千克;固液推進(jìn)劑(液氧+聚乙烯)為4.0德國馬克/千克。4

固液火箭助推器在火箭助推器上,它是由固體燃料和液態(tài)氧化劑組成的混合式推進(jìn)系統(tǒng),是今天可實(shí)現(xiàn)的唯一不爆炸火箭發(fā)射技術(shù)。混合式火箭代表了目前火箭推進(jìn)系統(tǒng)在技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向在安全、低成本和操作靈活性等方面，優(yōu)于常規(guī)的固體火箭和液體火箭。盡管AMROC發(fā)射了大量334 kN推力水平的發(fā)動(dòng)機(jī)(H一500發(fā)動(dòng)機(jī)),但混合式推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展遠(yuǎn)比固體或液體火箭緩慢,因此將這項(xiàng)技術(shù)帶入商業(yè)飛行狀態(tài)是AMROC的近期目標(biāo)。5

發(fā)展前景固液混合式火箭和液體及固體推進(jìn)劑相比較。對性能、工作適應(yīng)性、安全性、可靠性、成本、及對周圍環(huán)境的影響特性成功地位居第一。6