混合推進劑火箭發動機

混合推進劑火箭發動機，是組合使用液體和固體推進劑的化學火箭發動機。由噴注器、燃燒室（內裝藥柱）、噴管、液體推進劑供應系統和貯箱等組成。混合推進劑火箭發動機的比沖和體積比沖介於液體和固體火箭發動機之間，它能夠像液體火箭發動機那樣進行推力調節，而且只需要一套液體管路、活門和附屬檔案，系統比較簡單。但混合推進劑火箭發動機的燃速低，燃燒不均勻，效率低，僅適用於一些特殊任務的飛彈，如靶彈等。其優點主要有安全性好、容易進行推力調節、易關機和重新啟動、推進劑能量較高、環保型好、藥柱穩定性好、溫度敏感性低、經濟性好。可套用於探空火箭、小型運載火箭、靶標與飛彈、亞軌道飛行器及載人飛船、助推器及上面級和姿軌控系統的動力裝置，套用前景十分廣泛。

基本介紹

• 中文名：混合推進劑火箭發動機
• 外文名：hybrid propellant rocket engine
• 類型：化學火箭發動機
• 推進劑：液體和固體推進劑
• 組成：噴注器，燃燒室，噴管，貯箱等
• 優點：安全性好、容易進行推力調節

簡介

混合推進劑火箭發動機，是組合使用液體和固體推進劑的化學火箭發動機，它由噴注器、燃燒室（內裝藥柱）、噴管、液體推進劑供應系統和貯箱等組成。混合推進劑火箭發動機的比沖和體積比沖介於液體和固體火箭發動機之間，它能夠像液體火箭發動機那樣進行推力調節，而且只需要一套液體管路、活門和附屬檔案，系統比較簡單。但混合推進劑火箭發動機的燃速低，燃燒不均勻，效率低，僅適用於一些特殊任務的飛彈，如靶彈等。德國H.奧伯特曾於1929年嘗試製造混合推進劑火箭。50年代美國研製過氧化氫和聚乙烯火箭發動機。1964年法國首先發射成功了採用混合推進劑火箭發動機的氣象火箭。

分類

混合推進劑火箭發動機按使用的推進劑組合分為4種：

①固-液推進劑火箭發動機：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，藥柱中心有軸向孔，容氧化劑進入燃燒室與燃料進行燃燒，產生燃氣從噴管排出。

②液-固推進劑火箭發動機:使用液體燃料和固體氧化劑。

③準固-液推進劑火箭發動機：使用貧氧固體燃料藥柱和液體氧化劑。這種發動機在液體氧化劑完全斷流的情況下仍能維持燃燒，產生推力。

④三元固-液推進劑火箭發動機：在固體燃料和液體氧化劑的燃燒過程中同時噴入第三組元液氫，從而大大提高發動機的能量特性。最佳組合的三元固-液推進劑火箭發動機的理論比沖可高達400秒以上。

特點與套用

混合推進劑火箭發動機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內外研究最多的典型固液混合火箭發動機，主要由液體氧化劑供給系統和發動機主體系統組成。固液混合火箭發動機的氧化劑主要有液氧液氟、液體一氧化二氮、過氧化氫和硝酸等，固體燃料主要包括聚合化合物和金屬氫化物等。在這些燃料和氧化劑的基礎上，可以組成不同的推進劑組合，達到不同的性能。由於燃料和氧化劑分別採用不同狀態的物質。因而它的燃燒特性和單純的固體或液體火箭發動機不同，這種不同的特性使固液混合火箭發動機具有一些不同的特點，其優點主要有安全性好、容易進行推力調節、易關機和重新啟動、推進劑能量較高、環保型好、藥柱穩定性好、溫度敏感性低、經濟性好。可套用於探空火箭、小型運載火箭、靶標與飛彈、亞軌道飛行器及載人飛船、助推器及上面級和姿軌控系統的動力裝置，套用前景十分廣泛。

固液火箭發動機裝藥設計最佳化

固液火箭發動機燃燒過程中液/固組元流率比h= qox /qf 不斷變化，導致燃氣熱力參數及發動機性能參數變化。為保證固液發動機總體性能最優，必須對固體燃料裝藥進行最佳化設計，以保證組元流率比在整個工作過程中的平均值接近其最佳值。經研究，得出以下三點結論：（1）當燃料氣化速率足夠高且對裝藥幾何(橫流條件) 不甚敏感時，選擇適當的孔數可在燃料裝填容積與發動機性能之間尋求某種平衡，即在性能犧牲較小的前提下保持較高的燃料裝填分數和較短的藥長；（2）有必要研製出氣化率較高、對裝藥幾何(橫流條件)不敏感、且不致使燃燒效率過度降低的燃料；（3）有必要開展簇式推力室的研究。

發展概況

固液混合火箭發動機已有80餘年的研究歷史。從20世紀30年代就有了試驗性的研究，進入20世紀80年代中期，一方面由於商業競爭的日益激烈，低成本火箭的發展顯得格外的重要。另一方面，1986年1月28日挑戰者號和1986年4月18日大力神，3型運載火箭的固體助推器出現故障引起爆炸，這也引起了NASA的注意，試圖用固液推進劑來代替單一的固體推進劑，從而使固液混合火箭發動機的研究日益增強。國內外通過理論分析，數值仿真和試驗研究等方法對固液混合火箭發動機的燃燒穩定性，燃燒安全性，點火可靠性及燃料燃速規律等關鍵技術開展了大量研究及技術攻關，並在此基礎上進行了廣泛的固液混合火箭發動機套用研究。

到目前為止，固液混合火箭發動機的主要套用包括探空火箭、小型運載火箭、靶標與飛彈、亞軌道飛行器及載人飛船、助推器及上面級和姿軌控系統的動力裝置。套用最早的是前蘇聯設計並發射的GRID-9探空火箭，影響最大的是美國維珍公司的SpaceShipOne太空船一號亞軌道載人飛船，在世界範圍內極大地增強了對固液推進技術的信心，有力地推進了固液推進技術的發展，開展最多的是各類固液探空火箭的研製。

混合式推進系統先由德國提出，並於1937年研製出了第一台混合發動機，在其發展過程中，可粗略地分為四個階段：第一階段為30 年代後期到50 年代中期。這一階段是混合發動機的初始研製時期，主要有德國和美國在進行研究，燃料為碳或橡膠，氧化劑為一氧化二氮、過氧化氫和液氧。發動機然燒效率極低，僅是對混合發動機進行探索性研究。第二階段從50 年代中期到70 年代後期，這一階段為混合發動機研製的全面展開時期，除美國、德國外，法國、瑞典、荷蘭、義大利也加入到了這一行列，混合發動機研製在世界範圍內出現一個高潮。對嫩燒機理以及燃燒效率等技術關鍵進行了廣泛深入的研究，取得了很好的進展。第三階段為70 年代後期到80 年代中期，這一階段是混合發動機研製的停滯時期，研究活動顯著減少。其原因是由於固體和液體技術在這一時期取得較大突破，美國等武器推進系統向全固體方向發展，運載火箭則使用了大型液體芯級之故。第四階段是由80 年代中期至今，為混合發動機研製的重新活躍時期，推進劑組合大多採用HTPB/液氧。這一時期一方面世界發射任務大量增加，運載火箭型號增多，使價格競爭日趨激烈，發展低成本的運載火箭成為一個焦點。