混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

1、混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)即固液組合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中文名稱(chēng)：混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)英文名稱(chēng)：hybrid propellant rocket engine定義：使用固體燃料和液體氧化劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。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。混合推進(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(mén)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

2、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?；旌贤七M(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按使用的推進(jìn)劑組合分為4種：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?。?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。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。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

3、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?；旌匣鸺l(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，液態(tài)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“主要有聚乙烯，端羥基聚丁二烯，石蠟，聚硫橡膠，聚甲基丙烯酸甲酯，氫化鋰和聚合物與金屬氫化物的混合物。在這些燃料和氧化劑的基礎(chǔ)上可以組成各種不同的推進(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

4、質(zhì)因而它的燃燒特性與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)保性好，藥柱穩(wěn)定性好，溫度敏感性低，經(jīng)濟(jì)性好?？蓱?yīng)用于探空火箭探空火箭，小型運(yùn)載火箭小型運(yùn)載火箭，靶標(biāo)與導(dǎo)彈靶標(biāo)與導(dǎo)彈，亞軌道飛行亞軌道飛行器及載人飛船器及載人飛船，助推器及上面級(jí)和姿軌控系統(tǒng)的動(dòng)力助推器及上面級(jí)和姿軌控系統(tǒng)的動(dòng)力裝置裝置“應(yīng)用前景十分廣泛。歷史與現(xiàn)狀固液混合火箭發(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)的日趨

5、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)值仿真和實(shí)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，燃燒完全性。點(diǎn)火可靠性及燃料燃速規(guī)律等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)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)和姿軌控等系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。

6、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)極大的增強(qiáng)了對(duì)固液推進(jìn)技術(shù)的信心。有力的推進(jìn)了固液推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)展最多的是各類(lèi)固液探空火箭的研制裝備使用的是固液巡航靶標(biāo)。固液探空火箭固液探空火箭自 1933年前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)并成功發(fā)射世界上第一個(gè)應(yīng)用固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器GRID-9探空火箭以來(lái)探空火箭就成為固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多的飛行器其主要目的有:一是驗(yàn)證固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際飛行性能,二是驗(yàn)證飛行器各系統(tǒng)的實(shí)際飛行性能,三是發(fā)展低成本探空火箭系統(tǒng)四是作為高校的專(zhuān)業(yè)教育工具。固液小型運(yùn)載火箭

7、固液小型運(yùn)載火箭1985-1995年美國(guó)火箭公司發(fā)展了H 系列固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都采用 LOX/HTPB推進(jìn)劑組合最大真空推力達(dá)到1085KN其中H-500, 和H-250k,固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制目的是逐步驗(yàn)證大型固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用于航天運(yùn)載的可行性H-500,用于SET-1亞軌道運(yùn)載火箭1987年10月進(jìn)行了首次全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車(chē)H-250K, 固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用于hyflyer,亞軌道運(yùn)載火箭于 1993年1月進(jìn)行了首次全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車(chē)H-1800由H-250K, 發(fā)展而來(lái)作為 天鷹座21和 +天鷹 座31,運(yùn)載火箭的第一級(jí)和第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),天鷹座火箭是美國(guó)火箭公司在其固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研

8、制取得重 大 進(jìn) 展 的 基 礎(chǔ) 上 提 出 的 方 案 但 未 實(shí) 際 應(yīng) 用。 在德?tīng)査鸺鲜褂?臺(tái)1156kN推力的H-1800混合發(fā)動(dòng)機(jī)作助推器，與目前使用的9臺(tái)固體助推器相比，將使同步轉(zhuǎn)移軌道的載荷能力增加227kg。在大力神上使用2臺(tái)推力2 224kN的液氧/HTPB助推器，將使低地軌道載荷能力增加2722kg，這將比使用10臺(tái)卡斯托助推器時(shí)載荷能力增加約453. 6kg.中、重型運(yùn)載火箭中、重型運(yùn)載火箭 Sandpiper靶彈靶彈 1967年12月12日首次飛行成功.發(fā)動(dòng)機(jī)以75%的四氧化二氮和25%的氧化氮為氧化劑，以90%的聚甲基丙烯酸酯和10%的鎂粉為固體燃料，理論比沖2

9、708N s/kg，實(shí)際比沖 2 453N s/kg,氧化劑箱直徑0. 33m,燃室直徑0. 25m，該靶彈從飛機(jī)上發(fā)射，在不同的高度和不同的馬赫數(shù)下水平飛行距離超過(guò)185. 2km，有推力的時(shí)間超過(guò)300s，節(jié)流能力超過(guò)8:1.它是在Sandpiper靶彈的基礎(chǔ)上發(fā)展的，燃燒室直徑從0. 25m增加到0. 33m,固體燃料為聚丁二烯和聚甲基丙烯酸酯，氧化劑為紅煙硝酸，氧化劑由沖壓空氣增壓代替以前的氮?dú)?。?jié)流能力達(dá)10 ：1,燃料藥型從原來(lái)的單孔圓管形變?yōu)槭中?，使?個(gè)噴注器，Sandpiper是一次性使用的靶彈，而HAST可以重復(fù)使用，通過(guò)彈上降落傘減速，再由直升飛機(jī)升空將其回收 HAST

10、(大高度超音速靶彈) Firebolt靶彈靶彈 Firebolt靶彈的推進(jìn)系統(tǒng)與HAST所用的相似，推力在533. 8-5 337. 8N之間可調(diào)。該靶彈模擬高度可達(dá)30. 38km，速度達(dá)4馬赫，可以在空中或海上回收。 木星探測(cè)輔助發(fā)動(dòng)機(jī) 道格拉斯公司對(duì)宇宙神/半人馬座上使用固液混合輔助發(fā)動(dòng)機(jī)完成木星探測(cè)任務(wù)曾進(jìn)行了可行性研究，表明使用混合發(fā)動(dòng)機(jī)作為宇宙神/半人馬座或DSV -3M德?tīng)査鸺牡谌?jí)，載荷能力將大大增加。氧化劑為氟和氧，含氟92%，氧8%，固體燃料代號(hào)為HFX2086，含鋰粉80%，聚丁二烯20%,氧化劑與燃料質(zhì)量比為2.8 ：1。推進(jìn)劑總質(zhì)量1451. 5kg,燃燒室壓強(qiáng)1

11、. 7MPa，殼體材料為S-994玻璃纖維/環(huán)氧，燃燒時(shí)間80s，膨脹比32：1，真空比沖3 914Ns/kg. 入軌發(fā)動(dòng)機(jī)(OIM ) 美國(guó)火箭公司進(jìn)行了入軌發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，發(fā)動(dòng)機(jī)總沖達(dá)53. 4kN s，最大推力533. 8N,氧化劑為可儲(chǔ)存的氧化氮，可進(jìn)行25次點(diǎn)火，以保證海軍衛(wèi)星的準(zhǔn)確入軌，點(diǎn)火系統(tǒng)使用甲硅烷氣和氧的自燃反應(yīng)。美國(guó)火箭公司對(duì)這種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了44次點(diǎn)火試車(chē)，對(duì)總沖、推力的快速增大和降低以及重復(fù)點(diǎn)火能力等飛行技術(shù)要求進(jìn)行了驗(yàn)證.但由于SET-1事故使該公司財(cái)政出現(xiàn)困難，隨之終止了這一計(jì)劃。 脫軌發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)固體燃料組分為30%的HTPB,60%的Escorez（增粘樹(shù)脂

12、），以及其他添加劑.氧化劑使用芯級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后液氧儲(chǔ)箱中剩余的部分（氣態(tài)）。發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能:總沖2593kNs，最大推力18.7kN,燃燒時(shí)間140s,燃室壓強(qiáng)0. 0960. 151MPa,氧化劑流率9. 53k/s，固體燃料質(zhì)量136kg,氧化劑與燃料的比率為10 ：1,總質(zhì)量163. 3kg，質(zhì)量比0. 8 。藥柱直徑1.02m，藥柱長(zhǎng)度0. 3m，藥孔數(shù)19，最終孔內(nèi)徑0. 19m，初始孔內(nèi)徑91mm,噴管初始喉徑0.33m,膨脹比2.0. H-50發(fā)動(dòng)機(jī) 該發(fā)動(dòng)機(jī)推力44. 5kN，推進(jìn)劑為氧化氮/聚丁二烯.燃燒時(shí)間25s,噴管膨脹比為1. 65 : 1時(shí)，海平面比沖達(dá)1 991N

13、s/kg,膨脹比8：1時(shí)，比沖可達(dá)2 129Ns/kg，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率97.7%。該發(fā)動(dòng)機(jī)還可放大為推力177. 9kN的H-200發(fā)動(dòng)機(jī)。 U-75發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)研究和發(fā)展情況我國(guó)開(kāi)始固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究較晚于20 世紀(jì) 50年代末首先由中科院大連化物所開(kāi)始20世紀(jì) 60 年代末轉(zhuǎn)到航天四院 45室現(xiàn)航天科工集團(tuán)三十一研究所繼續(xù)開(kāi)展研制工作， 后來(lái)中科院力學(xué)所國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)研究。 較突出的是原四院 45室在 20 世紀(jì) 60 年代末至 80 年代初的研究成果，研制了高性能固體燃料配方初步解決了固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)低頻震蕩和燃燒效率低等關(guān)鍵 問(wèn) 題 先 后 進(jìn) 行 了 直 徑

14、100mm,120mm,300mm及500mm的固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)獲得了大量資料和數(shù)據(jù),在裝藥設(shè)計(jì),噴注器設(shè)計(jì),點(diǎn)火器選擇和噴管設(shè)計(jì)以及如何提高燃燒效率等方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn).當(dāng)時(shí)主要開(kāi)展的是基于 基氧 化劑的研究工作并進(jìn)行了高空點(diǎn)火試驗(yàn)但未成功后下馬。目前開(kāi)展固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究的單位主要有航天科技集團(tuán)八院，航天科工集團(tuán)六院，北京航空航天大學(xué)，國(guó)防科技大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)等。20世紀(jì)末航天科技集團(tuán)八院在國(guó)內(nèi)前期所做工作的基礎(chǔ)上開(kāi)展了用硝酸作為氧化劑的固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究，進(jìn)行了多次地面試驗(yàn)航天科工集團(tuán)六院開(kāi)展了氣體 N2O為氧化劑的小型固液混合火 箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)開(kāi)展了 H2O2等為 氧化劑的固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了 H2O2氧化劑 /石蠟基燃料的固液混合火箭發(fā)動(dòng) 機(jī)