[科普中國(guó)]-混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

簡(jiǎn)介

混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是組合使用液體和固體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它由噴注器、燃燒室（內(nèi)裝藥柱）、噴管、液體推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)和貯箱等組成?；旌贤七M(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和體積比沖介于液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之間，它能夠像液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行推力調(diào)節(jié)，而且只需要一套液體管路、活門和附件，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。但混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃速低，燃燒不均勻，效率低，僅適用于一些特殊任務(wù)的導(dǎo)彈，如靶彈等。德國(guó)H.奧伯特曾于1929年嘗試制造混合推進(jìn)劑火箭。50年代美國(guó)研制過(guò)氧化氫和聚乙烯火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。1964年法國(guó)首先發(fā)射成功了采用混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的氣象火箭。

分類混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按使用的推進(jìn)劑組合分為4種：

①固-液推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：使用固體燃料和液體氧化劑。固體燃料通常裝填在燃燒室內(nèi)，藥柱中心有軸向孔，容氧化劑進(jìn)入燃燒室與燃料進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生燃?xì)鈴膰姽芘懦觥?/p>

②液-固推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī):使用液體燃料和固體氧化劑。

③準(zhǔn)固-液推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：使用貧氧固體燃料藥柱和液體氧化劑。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在液體氧化劑完全斷流的情況下仍能維持燃燒，產(chǎn)生推力。

④三元固-液推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：在固體燃料和液體氧化劑的燃燒過(guò)程中同時(shí)噴入第三組元液氫，從而大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的能量特性。最佳組合的三元固-液推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的理論比沖可高達(dá)400秒以上。

特點(diǎn)與應(yīng)用混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包含固體燃料和液體氧化劑、液體燃料加固體氧化劑等多種組合，其中固體燃料-液體氧化劑組合是國(guó)內(nèi)外研究最多的典型固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由液體氧化劑供給系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)主體系統(tǒng)組成。固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化劑主要有液氧液氟、液體一氧化二氮、過(guò)氧化氫和硝酸等，固體燃料主要包括聚合化合物和金屬氫化物等。在這些燃料和氧化劑的基礎(chǔ)上，可以組成不同的推進(jìn)劑組合，達(dá)到不同的性能。由于燃料和氧化劑分別采用不同狀態(tài)的物質(zhì)。因而它的燃燒特性和單純的固體或液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同，這種不同的特性使固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有一些不同的特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)主要有安全性好、容易進(jìn)行推力調(diào)節(jié)、易關(guān)機(jī)和重新啟動(dòng)、推進(jìn)劑能量較高、環(huán)保型好、藥柱穩(wěn)定性好、溫度敏感性低、經(jīng)濟(jì)性好?？蓱?yīng)用于探空火箭、小型運(yùn)載火箭、靶標(biāo)與導(dǎo)彈、亞軌道飛行器及載人飛船、助推器及上面級(jí)和姿軌控系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，應(yīng)用前景十分廣泛。

固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥設(shè)計(jì)優(yōu)化固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中液/固組元流率比h= qox /qf 不斷變化，導(dǎo)致燃?xì)鉄崃?shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)變化。為保證固液發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能最優(yōu)，必須對(duì)固體燃料裝藥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證組元流率比在整個(gè)工作過(guò)程中的平均值接近其最佳值。經(jīng)研究，得出以下三點(diǎn)結(jié)論：（1）當(dāng)燃料氣化速率足夠高且對(duì)裝藥幾何(橫流條件) 不甚敏感時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)目讛?shù)可在燃料裝填容積與發(fā)動(dòng)機(jī)性能之間尋求某種平衡，即在性能犧牲較小的前提下保持較高的燃料裝填分?jǐn)?shù)和較短的藥長(zhǎng)；（2）有必要研制出氣化率較高、對(duì)裝藥幾何(橫流條件)不敏感、且不致使燃燒效率過(guò)度降低的燃料；（3）有必要開展簇式推力室的研究。1

發(fā)展概況固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已有80余年的研究歷史。從20世紀(jì)30年代就有了試驗(yàn)性的研究，進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，一方面由于商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，低成本火箭的發(fā)展顯得格外的重要。另一方面，1986年1月28日挑戰(zhàn)者號(hào)和1986年4月18日大力神，3型運(yùn)載火箭的固體助推器出現(xiàn)故障引起爆炸，這也引起了NASA的注意，試圖用固液推進(jìn)劑來(lái)代替單一的固體推進(jìn)劑，從而使固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究日益增強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外通過(guò)理論分析，數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究等方法對(duì)固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，燃燒安全性，點(diǎn)火可靠性及燃料燃速規(guī)律等關(guān)鍵技術(shù)開展了大量研究及技術(shù)攻關(guān)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了廣泛的固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究。

到目前為止，固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用包括探空火箭、小型運(yùn)載火箭、靶標(biāo)與導(dǎo)彈、亞軌道飛行器及載人飛船、助推器及上面級(jí)和姿軌控系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。應(yīng)用最早的是前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)并發(fā)射的GRID-9探空火箭，影響最大的是美國(guó)維珍公司的SpaceShipOne太空船一號(hào)亞軌道載人飛船，在世界范圍內(nèi)極大地增強(qiáng)了對(duì)固液推進(jìn)技術(shù)的信心，有力地推進(jìn)了固液推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開展最多的是各類固液探空火箭的研制。

混合式推進(jìn)系統(tǒng)先由德國(guó)提出，并于1937年研制出了第一臺(tái)混合發(fā)動(dòng)機(jī)，在其發(fā)展過(guò)程中，可粗略地分為四個(gè)階段：第一階段為30 年代后期到50 年代中期。這一階段是混合發(fā)動(dòng)機(jī)的初始研制時(shí)期，主要有德國(guó)和美國(guó)在進(jìn)行研究，燃料為碳或橡膠，氧化劑為一氧化二氮、過(guò)氧化氫和液氧。發(fā)動(dòng)機(jī)然燒效率極低，僅是對(duì)混合發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行探索性研究。第二階段從50 年代中期到70 年代后期，這一階段為混合發(fā)動(dòng)機(jī)研制的全面展開時(shí)期，除美國(guó)、德國(guó)外，法國(guó)、瑞典、荷蘭、意大利也加入到了這一行列，混合發(fā)動(dòng)機(jī)研制在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)高潮。對(duì)嫩燒機(jī)理以及燃燒效率等技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了很好的進(jìn)展。第三階段為70 年代后期到80 年代中期，這一階段是混合發(fā)動(dòng)機(jī)研制的停滯時(shí)期，研究活動(dòng)顯著減少。其原因是由于固體和液體技術(shù)在這一時(shí)期取得較大突破，美國(guó)等武器推進(jìn)系統(tǒng)向全固體方向發(fā)展，運(yùn)載火箭則使用了大型液體芯級(jí)之故。第四階段是由80 年代中期至今，為混合發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重新活躍時(shí)期，推進(jìn)劑組合大多采用HTPB/液氧。這一時(shí)期一方面世界發(fā)射任務(wù)大量增加，運(yùn)載火箭型號(hào)增多，使價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，發(fā)展低成本的運(yùn)載火箭成為一個(gè)焦點(diǎn)。2