船用柴油机维修-（知识点）液体火箭发动机的工作原理和原理分析火箭发动机原理图片

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液体火箭发动机工作原理：液体火箭发动机是指采用液体推进剂的化学火箭发动机。 常用的液体氧化剂有液氧、四氧化二氮等，燃烧剂有液氢、无偏二甲肼、煤油等。氧化剂和燃烧剂必须分别存放在罐中。 液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统组成。 推力室是将液体推进剂的化学能转化为推进力的重要部件。 它由推进剂喷嘴、燃烧室、喷嘴组件等组成，如图所示。 推进剂通过喷油器注入燃烧室，经过雾化、蒸发、混合和燃烧，产生燃烧产物，以高速（2500～5000米/秒）冲出喷嘴，产生推力。 燃烧室内的压力可达200​​个大气压（大约），温度范围为300°C至4000°C，因此需要冷却。 推进剂供应系统的功能是以所需的流量和压力将推进剂输送到燃烧室。 根据输送方式不同，供给系统有挤压式（气动式）和泵压式两种。 挤压供气系统采用高压气体经减压器减压（氧化剂和可燃剂的流量由减压器设定的压力控制）进入氧化剂和可燃剂储罐，然后挤压进入分别为燃烧室。 中间。 挤压供给系统仅用于低推力发动机。 高推力发动机使用泵供应系统火箭发动机原理图火箭发动机原理图，该系统使用液压泵输送推进剂。 发动机控制系统的作用是调节和控制发动机的工作程序和工作参数。 工作过程包括发动机启动、工作和停机三个阶段。 这个过程是按照预定的程序自动进行的。

工作参数主要指推力和推进剂混合比。 液体火箭发动机的优点是比冲高(250～500秒)、推力范围大(单次推力范围从1克力到700吨力)、可反复启动、控制推力能力强、工作时间长。 液体火箭发动机主要用于航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。液体火箭发动机是航天发射的主流，结构比固体发动机复杂得多。 它们主要由点火装置、燃烧室、喷嘴和燃油输送装置组成。 点火装置一般为火药点火器。 对于需要多次启动的上级发动机船舶配件，需要多个火药点火器。 例如，美国战神火箭的J-2X发动机有2个火药点火器，可实现2次启动。 我国的YF-73和YF-75还配备了两个火药点火器，具有两次启动的能力； 燃烧室是液体燃料和氧化剂燃烧和膨胀的地方。 为了获得较高的比冲，它们一般都具有很高的压力，即使是普通发动机，通常也具有高达几十个大气压的压力。 对于苏联RD-180等发动机，燃烧室压力高达250个大气压以上。 高压下的燃烧比常压下的燃烧更为复杂。 同时，随着燃烧室容积的增大，燃烧不稳定现象越来越严重，解决起来也变得比较麻烦。 目前尚无可靠的数学模型来分析燃烧稳定性问题，主要依靠大量的发动机燃烧试验来解决。 美国土星5号火箭的F-1发动机经过了长达20万秒的地面试验台燃烧测试。 苏联能源火箭的RD-170发动机也经过了超过10万秒的地面试验台燃烧测试。 在反复的燃烧测试中，不断优化发动机的各项参数，以缓解不稳定的燃烧现象。

但对于室压低、推力小的发动机，不稳定燃烧现象并不明显。 燃烧不稳定是制约液体发动机推力增加的主要问题之一。 液体火箭发动机燃烧室使用液体燃料或氧化剂进行冷却。 在进入燃烧室之前，它们首先流过燃烧室壁进行冷却。 液体火箭发动机的喷嘴也是拉瓦尔喷嘴，膨胀段一般为钟形，但采用冷却喷嘴来冷却液体燃料或氧化剂。 有四种方式输送液体发动机燃料：挤压循环、气体发生器循环、分级燃烧循环和膨胀循环。 挤压循环利用高压气体经减压器减压后进入氧化剂和助燃剂储罐，分别挤压进入燃烧室。 由于储罐材质的原因，无法实现高压，因此仅用于小规模应用。 在低性能发动机上。 在气体发生器循环中，一部分燃料和氧化剂流经气体发生器。 燃烧后驱动燃油泵和氧化剂泵运转。 燃油泵和氧化剂泵将燃油推入燃烧室，预燃废气直接排出。 燃料和氧化剂的初始流动有些是通过罐的挤压，有些是通过自然重力引导。 分级燃烧循环也称为补充燃烧法。 相同的燃料和氧化剂在预燃器中燃烧，以驱动燃料泵和氧化剂泵。 但不同的是，预燃器中的气体不是直接排出，而是被压入燃烧室。 这样就避免了燃料和氧化剂的浪费，并且可以获得更大的比冲。 追求高比冲的发动机一般采用分级燃烧循环。 为了在分级燃烧时追求较高的比冲，燃烧室压力一般远高于燃气发生器循环，也称为高压补燃方式。

在膨胀循环中，燃料或氧化剂流过燃烧室壁和喷嘴壁。 在冷却燃烧室和喷嘴的同时，它会升温并产生更大的压力，驱动燃油泵和氧化剂泵运转。 显然，燃气产生的燃烧器和分级燃烧的循环也会流经这些高温部分，但它是由预燃器的高压燃气驱动的，可以实现大得多的推力。 膨胀燃烧循环发动机通常具有非常高的比冲量。 理论上，在其他条件相同的情况下，它们具有最高的比冲。 然而，增加推力是困难的。 例如，美国的RL10-B-2在二手液体发动机中比冲量最高。 比冲为465.5秒，但推力只有24,750磅，约合11.2吨。 对于液体发动机来说，循环方式、燃烧室压力和喷嘴设计肯定会影响比冲，但对发动机比冲影响最大的还是液体燃料。 早期的肼基燃料与四氧化二氮结合，在真空中的比冲最多只有约300秒。 而且肼有剧毒，四氧化二氮也有很强的腐蚀性。 在我国已逐步淘汰。 长征五号等新一代火箭也将在未来几年淘汰现有使用联氨燃料的长征火箭； 比冲较高的燃料是煤油燃料。 与联氨相比，煤油的比冲高不了多少，只有20秒左右。 ，主要特点是价格便宜、无毒，非常适合在液体发动机中使用。 目前，商业火箭公司均选择液氧煤油发动机，原因就在于此； 比冲较高的是甲烷发动机，甲烷是碳氢化合物。 它的比冲是燃料中最高的，但比煤油高不了多少。 也是20秒左右。 它还需要低温储存。 它的体积比煤油大得多。 最重要的成本也高很多，所以利息很少。 然而，冷战结束后，各个航天国家开始了甲烷发动机的初步研究； 比冲最高的燃料组合是液氢和液氧。 液氢燃料比煤油或联氨贵得多，而且储存量巨大。船用物资，但液氢和液氧的比冲远高于液氧和煤油。 在真空中，一般可以达到420秒以上，高出1/3以上。

与齐奥尔科夫斯基的公式相比，这意味着将有效载荷送入轨道所需的燃料要少得多。 但由于液氢价格昂贵，早期液氢燃料主要用于火箭的上级（一级及以上称为上级）。 随着技术的进步，液氢的价格有所下降，新一代火箭的第一级一般也采用液氢。 氢燃料，如日本的H-II、欧洲的等，我国的长征五号火箭第一级也会使用液氢燃料。 美国甚至还出现了同样采用液氢燃料作为助推器的大型火箭型火箭，性能非常优越。

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