液體火箭發(fā)動機設(shè)計復(fù)習(xí)題答案

1、第二章1、總體對發(fā)動機設(shè)計提出的技術(shù)要求包括哪些方面；飛行器總體對發(fā)動機設(shè)計提出的技術(shù)要求主要在發(fā)動機用途、工作性能、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸、環(huán)境條件及經(jīng)濟性等方面，同時在設(shè)計任務(wù)書中給出對這些參數(shù)的具體要求，它們是發(fā)動機設(shè)計的主要依據(jù)。2、液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計主要有哪四個階段；發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計主要有：系統(tǒng)方案論證、系統(tǒng)方案設(shè)計、系統(tǒng)試驗和系統(tǒng)定型四個階段3、液體火箭發(fā)動機主要參數(shù)的選擇有哪些；根據(jù)導(dǎo)彈或火箭總體設(shè)計部門提出的基本要求，可以設(shè)計選擇發(fā)動機一系列可變參數(shù)，如推進劑的選擇、混合比的選擇、燃燒室壓力的選擇、噴管擴張比的選擇、推進劑質(zhì)量的選擇、系統(tǒng)參數(shù)平衡等。4、擠壓系統(tǒng)分類 、貯箱增壓壓力的

2、確定；分類：貯氣系統(tǒng)、液體汽化系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)確定：擠壓式系統(tǒng)貯箱增壓壓力的提高會引起整個供應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量大大增加（主要是貯箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量），所以擠壓式系統(tǒng)的燃燒室壓力都不取得很高。一般在比沖和質(zhì)量的折中考慮下，選取一個合理的較低燃燒室壓力，保證貯箱壓力較低，同時設(shè)計時應(yīng)力求減少供應(yīng)系統(tǒng)的流阻損失。 （第2章液發(fā)系統(tǒng)設(shè)計ppt P86）5、泵壓式系統(tǒng)貯箱增壓壓力的確定；（第2章液發(fā)系統(tǒng)設(shè)計ppt P114）（1）保證泵不發(fā)生汽蝕 （2）保證貯箱不破壞 （3）對增壓氣瓶的影響 確定方法：計算得到按系統(tǒng)質(zhì)量最輕條件的增壓壓力為P1，滿足泵汽蝕條件的增壓壓力為P2。（1）P1P2；（2）P1P2；（3）

3、P1P2。綜上所述，增壓壓力的選擇應(yīng)根據(jù)以上幾個部件的總質(zhì)量為最輕來確定，然后檢驗動力系統(tǒng)的工作是否滿足來作適當?shù)恼{(diào)整。6、發(fā)動機混合比和推力矢量控制方案；推力矢量控制：方法的選擇取決于所需力矩的大小，也和發(fā)動機系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)方案有關(guān)。（第2章液發(fā)系統(tǒng)設(shè)計ppt P133）（1）單推力室發(fā)動機 ：燃氣舵、輔助射流、二次噴射控制、 擺動推力室或噴管（2）多推力室發(fā)動機：兩室、三室、四室 發(fā)動機混合比： 混合比開環(huán)控制（混合比控制的最簡單形式是在推進劑主管路中設(shè)置適當尺寸的校準孔板。）、混合比閉環(huán)控制 （第2章液發(fā)系統(tǒng)設(shè)計ppt P145）7、擠壓式系統(tǒng)管路特性和組元混合比的調(diào)整計算；擠壓系統(tǒng)的管路特

4、性：就是推進劑管路系統(tǒng)的壓力損失和系統(tǒng)中推進劑組元流量之間的函數(shù)關(guān)系。組元混合比的調(diào)整計算：可采用下面兩種方法：液路裝節(jié)流圈、增壓氣路安裝節(jié)流元件 （第2章液發(fā)系統(tǒng)設(shè)計ppt P153）8、液體火箭發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟；第三章3.11、 推力室的組成主要由推力室頭部、燃燒室和噴管組成，噴管由收斂段（亞聲速噴管段）和擴張段（超聲速噴管段）組成。推力室還包括其它一些部件，例如，對于非自燃推進劑的點火裝置、推力室固定部件、推力傳遞裝置、推進劑入口分配部件（燃氣導(dǎo)管、冷卻劑入口集液器等）。2、推力室的主要設(shè)計內(nèi)容1. 根據(jù)要求的海平面或真空推力和比沖，推進劑混合比，以及推力室的最大外廓尺寸和質(zhì)

5、量限制等，選擇燃燒室壓力和噴管出口壓力參數(shù)。2. 根據(jù)熱力氣動計算結(jié)果，給出推力室的地面或真空理論比沖、理論質(zhì)量流量、臨界截面積、噴管面積比等。3. 根據(jù)定型推力室的性能數(shù)據(jù)，選擇燃燒室效率和噴管效率，確定推力室的實際地面或真空比沖，實際流量和臨界截面積等。4. 根據(jù)選擇的燃燒室特征長度，質(zhì)量流量密度和收縮比，確定燃燒室直徑和長度，根據(jù)面積比，設(shè)計噴管型面。5. 噴注器、燃燒室和噴管的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括再生冷卻劑的選擇，材料的選用，加工方法和檢驗方法的確定。6. 根據(jù)推力室的初步結(jié)構(gòu)方案，進行有關(guān)的傳熱、流阻損失和強度等各項計算。7. 繪制推力室圖紙、編寫生產(chǎn)、試驗技術(shù)文件，設(shè)計和計算說明

6、書，根據(jù)發(fā)動機的研制3.23、燃燒室的設(shè)計要求1. 合理選擇燃燒室尺寸和形狀，在最小的容積下得到最高的燃燒效率。2. 減小燃氣的總壓損失。3. 合理地組織內(nèi)、外冷卻，防止內(nèi)壁燒蝕。4. 結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，工作可靠。4、影響完全燃燒程度的主要因素1. 燃料霧化和混合氣形成的質(zhì)量。取決于噴嘴的形式，噴嘴在推力室頭部的位置及推力室頭部的形狀、燃燒室的形狀，燃料霧化和混氣形成的質(zhì)量愈差，則其化學(xué)反應(yīng)進行得完全所需的時間也愈長。2. 推進劑停留時間。（燃燒室初步設(shè)計需要選擇的參數(shù)）5、經(jīng)常采用的燃燒室?guī)缀涡螤瞵F(xiàn)有的液體火箭發(fā)動機燃燒室的形狀基本為三種形式：球形、接近球形（橢球形或梨形）和圓柱形（圓筒形）

7、。6、燃燒室的輪廓設(shè)計 （該答案僅供參考）燃燒室型面的設(shè)計就是選擇燃燒室形狀和尺寸，并在盡可能小的燃燒室容積內(nèi)保證較高的燃燒效率（燃燒完全程度）。7、噴管類型錐形噴管、特型噴管、環(huán)形噴管8、幾種特型噴管型面的簡單造型方法采用特性線法計算最大推力噴管，或者通過對最大沖量噴管進行截短的方法設(shè)計噴管，計算過程都十分繁瑣，實際采用的多為簡化方法。噴管擴張段型面的設(shè)計方法有錐形噴管造型、拋物線法造型、雙圓弧法、最大推力噴管造型法等。對性能要求不高時，可采用簡單的錐形噴管，擴張比相對較小的大推力發(fā)動機噴管可采用雙圓弧法來設(shè)計型面，對于噴管擴張比大的上面級發(fā)動機和小推力發(fā)動機，通常采用最大推力噴管造型法。3

8、.39、推力室頭部的設(shè)計要求（1）保證推進劑組元良好的霧化質(zhì)量（2）保證燃燒室橫截面上的流量密度分布符合設(shè)計要求，（3）保證燃燒室橫截面上的余氧系數(shù)分布符合設(shè)計要求。（4）保證燃燒室壁內(nèi)表面附近形成溫度較低的邊界層。（5）混氣形成區(qū)長度盡可能短。（6）防止燃料組元或氧化劑組元噴射到室壁上。（7）所選擇噴嘴壓降，既要保證燃燒穩(wěn)定和安全，又要保證有利的輸送系統(tǒng)重量。（8）頭部構(gòu)造簡單，重量輕，工藝性良好，生產(chǎn)成本低。1. 噴嘴類型答：1）按照被噴射物質(zhì)來分：可分為氣體噴嘴、液體噴嘴和氣體液體噴嘴（氣液噴嘴）；n 2）按照噴嘴的構(gòu)造來分：可分為直流式噴嘴、離心式噴嘴和直流離心式噴嘴；n 3）按照進入

9、一個噴嘴的組元數(shù)目來分：可分為單組元噴嘴、雙組元和三組元噴嘴2. 霧化特性答：霧化過程的特性是指霧化的細度和霧化的均勻度，對于單個噴嘴來說還有噴霧錐的形狀和噴射距離。霧化的細度由射流裂碎后所形成液滴的尺寸來表征。霧化的均勻度用液滴直徑變化的范圍來確定。3. 影響噴嘴流量系數(shù)的因素答：孔長徑比（l/d）的影響 n 噴嘴壓降的影響 n 橫向速度的影響 n 噴嘴反壓的影響 n 進口倒角2和進口倒角深度e的影響 n 傾斜角的影響 n 表面加工質(zhì)量的影響4. 互擊式直流噴嘴計算答：5. 離心式噴嘴的幾何特性（噴霧錐角等的變化）答：6. 雙組元離心式噴嘴的特點答：1）每個雙組元離心式噴嘴，可按所需的組元混

10、合比進行計算，因而較易于達到按要求的組分比分布均勻混合，從而可以提高燃燒室的沖量效率；n 2）縮短了組元混氣形成的時間，因而可以提高燃燒的完善程度，或者可以減小燃燒室容積尺寸。3）在通過流量一定的條件下，雙組元離心式噴嘴比單組元離 心式噴嘴所占的面積小。4）雙組元噴嘴間距較大，燃氣回流較強，因此頭 部易被燒蝕。設(shè)計這種頭部時，要注意頭部熱防護問題。7. 直流式、離心式兩類噴嘴各自的特點答：直流式特點： 直流式流量系數(shù)大，尺寸小。 直流式霧化質(zhì)量不好，液滴不細。 直流式射流在離開噴管較遠的地方才開始霧化。 直流式噴射錐角也較小。 離心式特點： 噴嘴單獨加工，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 保持噴嘴壓降恒定時，可通過

11、改變噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸調(diào) 整噴嘴流量系數(shù)和噴霧錐角。 噴霧錐大，加速霧化、蒸發(fā)過程，有利于和相鄰的噴霧 錐混合。 噴嘴體積大，流量系數(shù)小。8. 噴嘴排列的要求和問題答：要求：1、性能要求；2、穩(wěn)定性要求；3、可靠性要求；4、要有足夠的強度和剛度；5、流阻損失要??；6、結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，工藝性能要好。問題：1）關(guān)于穩(wěn)定性和性能之間的矛盾；2）關(guān)于可靠性和性能之間的矛盾；3）強度和剛度要求與性能之間的矛盾；4）流阻損失小與性能之間的矛盾；5）結(jié)構(gòu)簡單與性能之間的矛盾；9. 離心式噴嘴混合單元答：蜂窩式排列：噴嘴按蜂窩式排列時，每個燃料噴嘴周圍有六個氧化劑噴嘴，每個混合單元形成蜂窩形狀。在這混合單元中

12、，有燃料噴嘴nf = 1和氧化劑噴嘴no=2，噴嘴總數(shù)n=no+nf=3棋盤式排列：A = 1cm2 n nf = 0.5 n no =0.5 n n = 1 n n / A = 1 n no / nf = 1方窩式排列：A = 4cm2 n nf = 1 n no =3 n n = 4 n n / A = 1 n no / nf = 3 n HNO3為氧化劑時，Km = 2 4.3 n 密集度不如蜂窩式。10. 單組元離心式噴嘴的計算答：計算時已知的或選定的原始數(shù)據(jù) ：n 1.噴嘴的流量：目前在液體火箭發(fā)動機中應(yīng)用的離心式噴嘴的流量大約為30300g/s； n 2.霧化角：一般霧化角a=30

13、120°，常用90-120°； n 3.噴嘴壓降：一般取噴嘴壓降p 0.31.5MPa。對于自燃推進劑，最小允許的噴嘴壓降為0.180.2MPa，對于非自燃推進劑，最小壓降可為0.250.35MPa。 n4.推進劑的物理性質(zhì)：如比重，粘度等。 n 5.離心式噴嘴的類型：渦流器離心式或切向孔噴嘴。11. 推力室身部熱防護方法12. 熱防護方法的優(yōu)缺點答：3.4.2節(jié)，P2413. 對流外冷卻傳熱過程答：1）燃氣向內(nèi)壁的傳熱（對流+輻射） n 2）熱流經(jīng)過內(nèi)壁的熱傳導(dǎo) 3）內(nèi)壁向冷卻劑的對流傳熱。14. 冷卻表面肋條的散熱效應(yīng)答：肋條可增大向冷卻劑的散熱量，這種現(xiàn)象可用肋條效應(yīng)

14、系數(shù)來評估： 1=0；0 無肋條表面向冷卻劑散熱的散熱系數(shù)；1 有肋條表面的有效散熱系數(shù)。15. 再生冷卻：可靠冷卻的條件16. 再生冷卻：合理性條件答：1. 冷卻套內(nèi)的壓力損失應(yīng)盡可能最小，以降低推進劑供應(yīng)系統(tǒng)的功率和質(zhì)量 2. 冷卻套應(yīng)有良好的工藝性17. 再生冷卻的制約條件答：最大燃燒室壓力；最小燃燒室壓力；推力的制約；冷卻套內(nèi)壓力損失的制約工藝的制約18. 一些參數(shù)對換熱過程的影響答：1、氣體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù) n 2、內(nèi)壁厚度和導(dǎo)熱系數(shù) n/3、近壁層燃氣溫度 n/4、冷卻劑溫度 /5、液體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)19. 保證可靠再生冷卻的方法答：1. 減小氣體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； 2. 隔熱涂層； 3.

15、內(nèi)冷卻； 4. 采用導(dǎo)熱性能好的材料和減小內(nèi)壁厚度； 5. 降低冷卻劑溫度； 6. 增加液體壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。20. 冷卻通道結(jié)構(gòu)答：由內(nèi)、外壁間隙形成的 光滑縫隙式冷卻通道；壓坑點焊式；波紋板結(jié)構(gòu)； 銑槽式結(jié)構(gòu)；管束式結(jié)構(gòu)21. 內(nèi)冷卻環(huán)帶的結(jié)構(gòu)答：1、從身部冷卻通道中取出液體的內(nèi)冷卻帶；2、單獨供入液體的內(nèi)冷卻帶；22. 提高內(nèi)冷卻帶冷卻效果的方法答：保證冷卻劑流量特性穩(wěn)定，流量要精確確定；使推力室的性 能與冷卻環(huán)帶的流量之間達到最佳；保證冷卻環(huán)帶的液膜 連續(xù)、貼壁性好、均勻性好；設(shè)置冷卻環(huán)帶位置最佳等。23. 點火裝置答：1）自燃液體點火器； 2）固體火藥點火器； 3）火炬式點火器； 4）氣

16、動力諧振點火器。24. 燃氣發(fā)生器工作過程的特點答：1、燃氣溫度；2、組元混合比；（4.1節(jié)P12）25. 閉式發(fā)動機和開式發(fā)動機燃氣發(fā)生器的區(qū)別答：1、補燃循環(huán)發(fā)動機燃氣發(fā)生器的特點是室壓高、流量大。一般是一種組元的全部或大部分的流量進入燃氣發(fā)生器。補燃循環(huán)發(fā)動機燃氣發(fā)生器的燃燒產(chǎn)物對渦輪做功，然后渦輪 工質(zhì)進入燃燒室中進行補燃，燃燒室壓力、噴嘴壓降和渦輪壓比決定了燃氣發(fā)生器室壓的高低，燃氣發(fā)生器室壓要明顯高于燃燒室壓力。/2、在燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機系統(tǒng)中，渦輪排氣不進入燃燒室補燃，渦輪泵裝置功率相對較低，燃氣發(fā)生器室壓一般低于推力室壓力，流量也很小，一般只為發(fā)動機總流量的23。26. 小推

17、力發(fā)動機的冷卻方法答：可采用再生冷卻、燒蝕冷卻、內(nèi)冷卻、幅射冷卻及復(fù)合冷卻等冷卻方法。第五章5-1渦輪泵的配置有哪些方案？應(yīng)用最廣的方案是哪一種？根據(jù)轉(zhuǎn)子數(shù)目不同分為單轉(zhuǎn)子方案和多轉(zhuǎn)子方案，單轉(zhuǎn)子方案又分為渦輪居中和渦輪偏置兩種方案。單轉(zhuǎn)子方案應(yīng)用最廣，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。5-2離心葉輪的結(jié)構(gòu)按進液方式分為幾種？按自身的構(gòu)造又分為幾種？各種結(jié)構(gòu)有什么特點？葉輪與軸有哪些聯(lián)接方式？按照進液方式，離心葉輪可以分為單面進液和雙面進液兩種，單面進液應(yīng)用最廣，雙面進液多用于大流量的渦輪泵，以改善氣蝕性能。按照自身結(jié)構(gòu)分為閉式、半開式和開式三種。閉式葉輪有全閉的流道，質(zhì)量大，強度不高，壁面光潔度和精確度也

18、不高，水力效率較低，一般用于大直徑、低轉(zhuǎn)速的渦輪泵中。半開式葉輪流道三面封閉，無前蓋板，葉片與后蓋板一體，結(jié)構(gòu)較簡單，可進行機械加工，流道光潔度和精確度高，強度高，但是容積損失較大。開式葉輪流道由葉片組成，沒有前后蓋板，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，但容積損失大，容積效率低，需要高強度鋼制造以保證強度。葉輪與軸之間的連接方式有矩形花鍵、漸開線花鍵和平鍵，小功率中可以使用螺紋連接。5-3泵殼體包括入口裝置和出口裝置，泵的入口裝置有哪幾種型式？泵的出口裝置有哪幾種型式？入口裝置（P244）有軸向式、環(huán)形式、徑向式（彎曲式）以及螺旋（或半螺旋）式。出口裝置（P245）包括無葉片環(huán)形擴壓器、環(huán)列葉片環(huán)形擴壓器、

19、蝸殼形集液器和錐形擴壓器。5-4渦輪工作葉片與輪盤有哪幾種聯(lián)接方式？渦輪盤與軸有哪些聯(lián)接方式？試以簡圖表示并指出其優(yōu)缺點。工作葉片與輪盤的連接方式有整體式、焊接（最簡單，加工量少、尺寸小、質(zhì)量小、導(dǎo)熱好）和插入式（連接部分尺寸大，質(zhì)量大）連接。渦輪盤和軸的連接采用銷釘、螺栓、法蘭盤、花鍵和焊接等形式。（圖片見P263）5-5什么是轉(zhuǎn)子的平衡與不平衡？如何對渦輪泵轉(zhuǎn)子進行平衡？在高速旋轉(zhuǎn)的渦輪泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，當沒有大小和方向改變的離心力或由此產(chǎn)生的力矩外傳時，這一系統(tǒng)稱為平衡，反之稱為不平衡。不平衡分為靜不平衡、力偶不平衡和動不平衡。平衡有靜平衡（質(zhì)心同側(cè)去除質(zhì)量或者異側(cè)加上質(zhì)量，適用于徑向尺寸大

20、、軸短的情況）和動平衡（把轉(zhuǎn)子放在動平衡機上旋轉(zhuǎn)，在指定位置配重消除不平衡力矩）兩種。5-6渦輪泵動密封有哪幾種型式？各種密封的結(jié)構(gòu)特點與密封原理是什么？動密封分為接觸式密封、非接觸式密封和組合密封三種。接觸式密封中，預(yù)壓力和被密封的介質(zhì)的壓力共同作用在密封零件表面上，使其相互緊貼在一起，存在相互運動，有接觸摩擦。密封效果最好，但是磨損和耗能大。分為唇式密封、端面密封、彈性開口環(huán)密封和分瓣式彈性環(huán)密封。非接觸式密封是有間隙的，截止參與建立密封效應(yīng)。其中間隙密封通過小的間隙及密封面與流體之間的摩擦來達到密封，流體動力密封則通過兩側(cè)液體的壓力平衡來實現(xiàn)密封（詳見P286287）組合密封則是依次安裝

21、不同的密封件，在運轉(zhuǎn)中實現(xiàn)組元的泄漏量依次降低、密封性能則依次升高。（詳見P288）5-7請介紹“液封輪”的結(jié)構(gòu)特點和密封原理。密封輪一側(cè)是平的，另一側(cè)有寬度為b的徑向槽或者寬度為的徑向葉片。平滑面朝向高壓腔一側(cè)。液體沿著轉(zhuǎn)子的軸流向低壓側(cè)，并充填液封輪腔。當液封輪高速轉(zhuǎn)動時，液體在葉片作用下也將轉(zhuǎn)動，在液體內(nèi)部每一個微元體上都作用有離心力和向心壓力，二者達到平衡的時候，液體便停止向心流動，達到密封效果。是一種流體動力密封。（詳見P287）5-8試推導(dǎo)帶冠和不帶冠渦輪工作葉片某一截面上所受的離心拉伸應(yīng)力公式。詳見P2922945-9等溫實心等厚渦輪盤、等溫空心等厚渦輪盤的離心應(yīng)力是如何分布的？實心和空心渦輪盤的熱應(yīng)力又是如何分布的？等溫實心等厚盤應(yīng)力分布見P308圖5.86，等溫空心等厚盤應(yīng)力分布見P309圖5.87。熱應(yīng)力分布見P312圖5.90和圖5.91。5-10何謂渦輪泵轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速？試以單盤無質(zhì)量軸的轉(zhuǎn)子為例導(dǎo)出撓度公式，并加以討論。指出何謂“剛軸”？何謂“柔軸”？對應(yīng)于共振工況的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成為臨界轉(zhuǎn)速。撓度公式的導(dǎo)出和討論見P272274，對角