混合推进剂火箭发动机课件

1、混合推进剂火箭发动机即固液组合火箭发动机中文名称：混合推进剂火箭发动机英文名称：hybrid propellant rocket engine定义：使用固体燃料和液体氧化剂的火箭发动机。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

2、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。混合推进剂火箭发动机按使用的推进剂组合分为4种：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。液-固推进剂火箭发动机:使用液体燃料和固体氧化剂。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。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

3、元固-液推进剂火箭发动机的理论比冲可高达400秒以上。混合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，液态一氧化二氮，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“主要有聚乙烯，端羟基聚丁二烯，石蜡，聚硫橡胶，聚甲基丙烯酸甲酯，氢化锂和聚合物与金属氢化物的混合物。在这些燃料和氧化剂的基础上可以组成各种不同的推进剂组合“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

4、质因而它的燃烧特性与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，环保性好，药柱稳定性好，温度敏感性低，经济性好。可应用于探空火箭探空火箭，小型运载火箭小型运载火箭，靶标与导弹靶标与导弹，亚轨道飞行亚轨道飞行器及载人飞船器及载人飞船，助推器及上面级和姿轨控系统的动力助推器及上面级和姿轨控系统的动力装置装置“应用前景十分广泛。历史与现状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趋

5、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，数值仿真和实验研究等方法对固液混合火箭发动机的燃烧稳定性，燃烧完全性。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等系统的动力装置。

6、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“在世界范围内极大的增强了对固液推进技术的信心。有力的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装备使用的是固液巡航靶标。固液探空火箭固液探空火箭自 1933年前苏联设计并成功发射世界上第一个应用固液混合火箭发动机的飞行器GRID-9探空火箭以来探空火箭就成为固液混合火箭发动机应用最多的飞行器其主要目的有:一是验证固液混合火箭发动机的实际飞行性能,二是验证飞行器各系统的实际飞行性能,三是发展低成本探空火箭系统四是作为高校的专业教育工具。固液小型运载火箭

7、固液小型运载火箭1985-1995年美国火箭公司发展了H 系列固液混合火箭发动机都采用 LOX/HTPB推进剂组合最大真空推力达到1085KN其中H-500, 和H-250k,固液火箭发动机的研制目的是逐步验证大型固液混合火箭发动机用于航天运载的可行性H-500,用于SET-1亚轨道运载火箭1987年10月进行了首次全尺寸发动机热试车H-250K, 固液火箭发动机用于hyflyer,亚轨道运载火箭于 1993年1月进行了首次全尺寸发动机热试车H-1800由H-250K, 发展而来作为 天鹰座21和 +天鹰 座31,运载火箭的第一级和第二级发动机,天鹰座火箭是美国火箭公司在其固液混合火箭发动机研

8、制取得重 大 进 展 的 基 础 上 提 出 的 方 案 但 未 实 际 应 用。 在德尔它火箭上使用4台1156kN推力的H-1800混合发动机作助推器，与目前使用的9台固体助推器相比，将使同步转移轨道的载荷能力增加227kg。在大力神上使用2台推力2 224kN的液氧/HTPB助推器，将使低地轨道载荷能力增加2722kg，这将比使用10台卡斯托助推器时载荷能力增加约453. 6kg.中、重型运载火箭中、重型运载火箭 Sandpiper靶弹靶弹 1967年12月12日首次飞行成功.发动机以75%的四氧化二氮和25%的氧化氮为氧化剂，以90%的聚甲基丙烯酸酯和10%的镁粉为固体燃料，理论比冲2

9、708N s/kg，实际比冲 2 453N s/kg,氧化剂箱直径0. 33m,燃室直径0. 25m，该靶弹从飞机上发射，在不同的高度和不同的马赫数下水平飞行距离超过185. 2km，有推力的时间超过300s，节流能力超过8:1.它是在Sandpiper靶弹的基础上发展的，燃烧室直径从0. 25m增加到0. 33m,固体燃料为聚丁二烯和聚甲基丙烯酸酯，氧化剂为红烟硝酸，氧化剂由冲压空气增压代替以前的氮气。节流能力达10 ：1,燃料药型从原来的单孔圆管形变为十字形，使用4个喷注器，Sandpiper是一次性使用的靶弹，而HAST可以重复使用，通过弹上降落伞减速，再由直升飞机升空将其回收 HAST

10、(大高度超音速靶弹) Firebolt靶弹靶弹 Firebolt靶弹的推进系统与HAST所用的相似，推力在533. 8-5 337. 8N之间可调。该靶弹模拟高度可达30. 38km，速度达4马赫，可以在空中或海上回收。 木星探测辅助发动机 道格拉斯公司对宇宙神/半人马座上使用固液混合辅助发动机完成木星探测任务曾进行了可行性研究，表明使用混合发动机作为宇宙神/半人马座或DSV -3M德尔它火箭的第三级，载荷能力将大大增加。氧化剂为氟和氧，含氟92%，氧8%，固体燃料代号为HFX2086，含锂粉80%，聚丁二烯20%,氧化剂与燃料质量比为2.8 ：1。推进剂总质量1451. 5kg,燃烧室压强1

11、. 7MPa，壳体材料为S-994玻璃纤维/环氧，燃烧时间80s，膨胀比32：1，真空比冲3 914Ns/kg. 入轨发动机(OIM ) 美国火箭公司进行了入轨发动机的研制工作，发动机总冲达53. 4kN s，最大推力533. 8N,氧化剂为可储存的氧化氮，可进行25次点火，以保证海军卫星的准确入轨，点火系统使用甲硅烷气和氧的自燃反应。美国火箭公司对这种发动机进行了44次点火试车，对总冲、推力的快速增大和降低以及重复点火能力等飞行技术要求进行了验证.但由于SET-1事故使该公司财政出现困难，随之终止了这一计划。 脱轨发动机 发动机固体燃料组分为30%的HTPB,60%的Escorez（增粘树脂

12、），以及其他添加剂.氧化剂使用芯级主发动机关机后液氧储箱中剩余的部分（气态）。发动机总体性能:总冲2593kNs，最大推力18.7kN,燃烧时间140s,燃室压强0. 0960. 151MPa,氧化剂流率9. 53k/s，固体燃料质量136kg,氧化剂与燃料的比率为10 ：1,总质量163. 3kg，质量比0. 8 。药柱直径1.02m，药柱长度0. 3m，药孔数19，最终孔内径0. 19m，初始孔内径91mm,喷管初始喉径0.33m,膨胀比2.0. H-50发动机 该发动机推力44. 5kN，推进剂为氧化氮/聚丁二烯.燃烧时间25s,喷管膨胀比为1. 65 : 1时，海平面比冲达1 991N

13、s/kg,膨胀比8：1时，比冲可达2 129Ns/kg，发动机燃烧效率97.7%。该发动机还可放大为推力177. 9kN的H-200发动机。 U-75发动机国内研究和发展情况我国开始固液混合火箭发动机的研究较晚于20 世纪 50年代末首先由中科院大连化物所开始20世纪 60 年代末转到航天四院 45室现航天科工集团三十一研究所继续开展研制工作， 后来中科院力学所国防科技大学也进行了相关研究。 较突出的是原四院 45室在 20 世纪 60 年代末至 80 年代初的研究成果，研制了高性能固体燃料配方初步解决了固液混合火箭发动机点火启动低频震荡和燃烧效率低等关键 问 题 先 后 进 行 了 直 径

14、100mm,120mm,300mm及500mm的固液混合火箭发动机试车获得了大量资料和数据,在装药设计,喷注器设计,点火器选择和喷管设计以及如何提高燃烧效率等方面积累了大量的经验.当时主要开展的是基于 基氧 化剂的研究工作并进行了高空点火试验但未成功后下马。目前开展固液混合火箭发动机研究的单位主要有航天科技集团八院，航天科工集团六院，北京航空航天大学，国防科技大学，西北工业大学和清华大学等。20世纪末航天科技集团八院在国内前期所做工作的基础上开展了用硝酸作为氧化剂的固液混合火箭发动机研究，进行了多次地面试验航天科工集团六院开展了气体 N2O为氧化剂的小型固液混合火 箭发动机研究国防科学技术大学开展了 H2O2等为 氧化剂的固液混合火箭发动机研究西北工业大学开展了 H2O2氧化剂 /石蜡基燃料的固液混合火箭发动 机