[科普中国]-混合推进剂火箭发动机

简介

混合推进剂火箭发动机，是组合使用液体和固体推进剂的化学火箭发动机，它由喷注器、燃烧室（内装药柱）、喷管、液体推进剂供应系统和贮箱等组成。混合推进剂火箭发动机的比冲和体积比冲介于液体和固体火箭发动机之间，它能够像液体火箭发动机那样进行推力调节，而且只需要一套液体管路、活门和附件，系统比较简单。但混合推进剂火箭发动机的燃速低，燃烧不均匀，效率低，仅适用于一些特殊任务的导弹，如靶弹等。德国H.奥伯特曾于1929年尝试制造混合推进剂火箭。50年代美国研制过氧化氢和聚乙烯火箭发动机。1964年法国首先发射成功了采用混合推进剂火箭发动机的气象火箭。

分类混合推进剂火箭发动机按使用的推进剂组合分为4种：

①固-液推进剂火箭发动机：使用固体燃料和液体氧化剂。固体燃料通常装填在燃烧室内，药柱中心有轴向孔，容氧化剂进入燃烧室与燃料进行燃烧，产生燃气从喷管排出。

②液-固推进剂火箭发动机:使用液体燃料和固体氧化剂。

③准固-液推进剂火箭发动机：使用贫氧固体燃料药柱和液体氧化剂。这种发动机在液体氧化剂完全断流的情况下仍能维持燃烧，产生推力。

④三元固-液推进剂火箭发动机：在固体燃料和液体氧化剂的燃烧过程中同时喷入第三组元液氢，从而大大提高发动机的能量特性。最佳组合的三元固-液推进剂火箭发动机的理论比冲可高达400秒以上。

特点与应用混合推进剂火箭发动机包含固体燃料和液体氧化剂、液体燃料加固体氧化剂等多种组合，其中固体燃料-液体氧化剂组合是国内外研究最多的典型固液混合火箭发动机，主要由液体氧化剂供给系统和发动机主体系统组成。固液混合火箭发动机的氧化剂主要有液氧液氟、液体一氧化二氮、过氧化氢和硝酸等，固体燃料主要包括聚合化合物和金属氢化物等。在这些燃料和氧化剂的基础上，可以组成不同的推进剂组合，达到不同的性能。由于燃料和氧化剂分别采用不同状态的物质。因而它的燃烧特性和单纯的固体或液体火箭发动机不同，这种不同的特性使固液混合火箭发动机具有一些不同的特点，其优点主要有安全性好、容易进行推力调节、易关机和重新启动、推进剂能量较高、环保型好、药柱稳定性好、温度敏感性低、经济性好。可应用于探空火箭、小型运载火箭、靶标与导弹、亚轨道飞行器及载人飞船、助推器及上面级和姿轨控系统的动力装置，应用前景十分广泛。

固液火箭发动机装药设计优化固液火箭发动机燃烧过程中液/固组元流率比h= qox /qf 不断变化，导致燃气热力参数及发动机性能参数变化。为保证固液发动机总体性能最优，必须对固体燃料装药进行优化设计，以保证组元流率比在整个工作过程中的平均值接近其最佳值。经研究，得出以下三点结论：（1）当燃料气化速率足够高且对装药几何(横流条件) 不甚敏感时，选择适当的孔数可在燃料装填容积与发动机性能之间寻求某种平衡，即在性能牺牲较小的前提下保持较高的燃料装填分数和较短的药长；（2）有必要研制出气化率较高、对装药几何(横流条件)不敏感、且不致使燃烧效率过度降低的燃料；（3）有必要开展簇式推力室的研究。1

发展概况固液混合火箭发动机已有80余年的研究历史。从20世纪30年代就有了试验性的研究，进入20世纪80年代中期，一方面由于商业竞争的日益激烈，低成本火箭的发展显得格外的重要。另一方面，1986年1月28日挑战者号和1986年4月18日大力神，3型运载火箭的固体助推器出现故障引起爆炸，这也引起了NASA的注意，试图用固液推进剂来代替单一的固体推进剂，从而使固液混合火箭发动机的研究日益增强。国内外通过理论分析，数值仿真和试验研究等方法对固液混合火箭发动机的燃烧稳定性，燃烧安全性，点火可靠性及燃料燃速规律等关键技术开展了大量研究及技术攻关，并在此基础上进行了广泛的固液混合火箭发动机应用研究。

到目前为止，固液混合火箭发动机的主要应用包括探空火箭、小型运载火箭、靶标与导弹、亚轨道飞行器及载人飞船、助推器及上面级和姿轨控系统的动力装置。应用最早的是前苏联设计并发射的GRID-9探空火箭，影响最大的是美国维珍公司的SpaceShipOne太空船一号亚轨道载人飞船，在世界范围内极大地增强了对固液推进技术的信心，有力地推进了固液推进技术的发展，开展最多的是各类固液探空火箭的研制。

混合式推进系统先由德国提出，并于1937年研制出了第一台混合发动机，在其发展过程中，可粗略地分为四个阶段：第一阶段为30 年代后期到50 年代中期。这一阶段是混合发动机的初始研制时期，主要有德国和美国在进行研究，燃料为碳或橡胶，氧化剂为一氧化二氮、过氧化氢和液氧。发动机然烧效率极低，仅是对混合发动机进行探索性研究。第二阶段从50 年代中期到70 年代后期，这一阶段为混合发动机研制的全面展开时期，除美国、德国外，法国、瑞典、荷兰、意大利也加入到了这一行列，混合发动机研制在世界范围内出现一个高潮。对嫩烧机理以及燃烧效率等技术关键进行了广泛深入的研究，取得了很好的进展。第三阶段为70 年代后期到80 年代中期，这一阶段是混合发动机研制的停滞时期，研究活动显著减少。其原因是由于固体和液体技术在这一时期取得较大突破，美国等武器推进系统向全固体方向发展，运载火箭则使用了大型液体芯级之故。第四阶段是由80 年代中期至今，为混合发动机研制的重新活跃时期，推进剂组合大多采用HTPB/液氧。这一时期一方面世界发射任务大量增加，运载火箭型号增多，使价格竞争日趋激烈，发展低成本的运载火箭成为一个焦点。2