[科普中国]-固液火箭

定义

混合式火箭是一种使用液态和固态推进剂的火箭。

分类两种类型混合式火箭分为固液混合式和液固混合式两种。

种类特点液固混合式发动机是燃烧剂为液体，氧化剂为固体，而固液混合式发动机正好与它相反。

从性能上说，固液混合火箭发动机的比推力高于固体火箭发动机，低于高能液体发动机，与可贮存的液体发动机相当。从系统和结构来说，这种火箭发动机的优点是简单紧凑，缺点是燃烧效率低，推进剂混合比不易控制，调节推力时能量损失较大。

固液火箭发动机发展现代导弹武器、运载火箭和航天器大都采用液体或固体火箭发动机,使用固液混合式火箭发动机的极少。从20世纪50年代后期开始,一些国家先后对固液火箭发动机开展了研究和试验。

液体和固体火箭发动机各有其优缺点。经过不断改进,这两类发动机的某些性能虽有提高,但单液体或单固体推进剂的一些固有缺点仍然存在。

研制进展1956年,美国发表了用H2O2和聚乙烯作推进剂的固液发动机的第一批试验研究资料,此后美国许多公司,以及法国、瑞典和前西德的一些专门机构也开展了研究,希望能综合固、液两种发动机的优点。固液火箭发动机的系统和工作过程看似简单,但初步研究表明,如果无法解决固2液推进剂的燃烧等一系列技术问题,它就不可能形成真正的竞争力。现已发现,不采取技术措施时,固2液推进剂的燃烧度很低,固液发动机中燃烧不完全的损失可达百分之几十,而液体和固体发动机的损失只有百分之几。另外还发现沿药柱通道长度上有烧化不均的现象,这是因为固体组元汽化强度(燃烧速率)与通道内燃气流运动的条件(即内弹道性能)有关。固液发动机非常适合于要求推力可调、需多次启动点火2关机的任务,但在调节过程中,推进剂的混合比(氧/燃比)可能会明显改变,从而导致发动机能量特性的降低,且推进剂组元可能不在同一时间内燃尽;同时重新启动点火后也可能存在一致性问题。由于这些原因,固液发动机并未表现出比其他类型发动机更突出的性能,其研制的必要性和可能性也受到了质疑。由此可见,固液火箭发动机研制的难点主要是燃烧室内部过程。如果选择有特性的推进剂,设计合理的装药形状,选取相应的液体组元喷雾机构类型与参数,以及采用使燃烧室气流产生紊流的扰流装置等,就可非常明显地提高燃烧完全度。目前,燃烧室的燃烧完全系数可达理论值的0.95或更高。另外,对发动机调节过程中产生的推进剂氧/燃比变化也有了一些补偿办法,如选用能保证固体组元有一定汽化规律的推进剂组合和采用特殊燃烧室等。在解决固液推进剂燃烧和发动机调节等重要问题后,固液发动机有望获得工作的高稳定性、对装药缺陷的不敏感性和多次启动的可能性等良好特性。2

应用成果有:

a)采用具有其他重要特性的低效推进剂这类发动机包括正方案发动机等,其中氧化剂为高沸点的推进剂(N2O4,H2O2及其他),发动机比冲约为2600～3000N・s/kg。固液发动机系统简单可靠、价格低廉、操作使用方便,可长期贮存。因推进剂组元密度大,故容积比冲较大,结构紧凑。曾装备美国海军飞靶SandpiperA上的发动机(如图1所示)即为其典型范例。在1967年的飞行试验中,该飞靶飞行马赫数3～4,飞行高度27km,并可作机动飞行,推力270～2270N,燃烧室直径254mm。

b)采用加入第三组元的高效推进剂

这类发动机采用高效的低沸点推进剂(氧氟混合物),推进剂中加入了第三组元,其比冲不低于最有效的液体发动机,容积比冲高于较好的液体发动机。在其他条件相同的情况下可能制造出结构更紧凑的飞行器。但由于采用了液化气体或加入了第三元,系统及其操作较为复杂,高可靠性难以保证。

1970年初,美国联合技术中心完成了第一系列固液火箭发动机的试验。该发动机采用高能推进剂,拟用于德尔它运载火箭的上面各级,其结构如图2所示。它以聚丁乙烯为燃料,锂和氢化锂为添加剂,液体氟氧混合物为氧化剂。发动机直径稍大于1m,长约3.7m,推力50kN,工作时间约80s。

国外有关研究资料指出,固液火箭发动机可用于解决运载火箭的飞行稳定问题。此时,发动机可采用含高沸点氧化剂的推进剂,要求的推力不大(有时小于10N),但工作时间较长,可多次启动和关机。这类发动机在空间环境条件下的稳定性较好、启动和关机简单、冲量值较准确,具有用于调节推力的可能性,长期工作安全性好,适用于长期依靠惯性飞行,且需周期性启动发动机的空间任务。

另外,对三组元推进剂固液发动机(将氢引入燃烧室)的研究表明,在宇宙火箭上面级中应用该种发动机,可明显地增加火箭的有效载荷。

c)造价低、安全性好的发动机

国外对用于运载火箭第一级的大推力固液火箭发动机也进行了研究。美国的研究者认为,固液推进剂发动机的造价将是所有火箭发动机中最低的。大型固液发动机的结构可能有多种,如能获得汽化速度(燃烧速率)很高的固体装药,就有可能制造出单燃烧室的固液发动机。在汽化速度不大的情况下,必须采用燃烧室束形式,如图3所示。

固体火箭助推器曾被普遍认为具有成本低、简便和安全的优点。但大力神运载火箭和挑战者号航天飞机的失事表明,它存在有一些严重的安全问题。另外,固体助推器的成本也明显高于可重复使用系统,且会造成严重的环境污染。因此与固体发动机相比,固液助推系统可能具有更安全、可选用无毒推进剂、无环境污染,以及比冲等于或大于固体火箭的优点。为此,国外对用固液助推器替代固体助推器的可行性进行了分析。1986年首次研究了固液火箭发动机可能的应用领域,研制出了固液火箭发动机的质量及性能模型,模型考虑了固液推进剂混合燃速低和工作过程中混合比不断变化的特点。该研究在欧洲阿里安25P及日本H2Ⅱ运载火箭固体助推器数据的基础上进行,结果表明,对这两种运载火箭来说,采用固液火箭助推器时的有效载荷运载能力与原方案相同,固液助推器可替代固体助推器。 用固液推进系统替代固体助推器,需进行全新的研制工作,可供参考的经验极少。目前的开发重点是推力水平约113.4t的大型混合火箭发动机。1993年,美国火箭公司率先试验了一种推力113.4t的LOX/HTPB(端羟基聚丁二烯)混合火箭发动机。1999年,一个由多家宇航公司组成的集团也试验了几种推力相同的LOX/HTPB固液发动机样机。在这些运载火箭捆绑助推器候选方案中,有一种在HTPB中加入了聚亚癸基甲醛(PCPD),燃料密度比单使用HTPB时增加了约10%。发动机构型剖面如图4所示。相应的设计参数为:最大工作压力6.2MPa;最大真空推力113.4t;初始喉部直径370.8mm;初始喷管膨胀比12;液氧流量(流量可调)190.5～272.3kg/s;燃料质量20.73t;燃烧时间80s。汽化室翅片和扰流器用于延长火焰在燃烧通道内的停留时间。试验结果表明,欲研制出能稳定燃烧的大型混合发动机构型,还需要做更多的工作,如进一步了解影响燃料汽化速率的各种因素等。3

固液发动机的特点固液混合火箭发动机的典型特点是:固体燃料药柱与流过其表面的液态或气态氧化剂发生燃烧(正方案);或固体氧化剂药柱与流过其表面的液态或气态燃料发生燃烧(反方案)。在许多情况下,推进剂两种组元处于不同聚集态时,可以获得最高的能量特征或最大的推进剂密度。在混合式发动机中,可以使用一些根据相容性条件不能在固体发动机中应用的组元,并与氧化剂的比例保持为最佳值。

比冲

介于固体发动机和液体发动机之间,能很容易地达到固体推进剂中高能推进剂的水平。在标准膨胀比(68∶1)下,不同液体、固体和混合推进剂的比冲见表1。

可多次启动关机可使液体氧化剂在受控状态下喷入固体燃料通道,并自燃点火启动。液体氧化剂停止喷入,固体燃料的燃烧随之停止。这种特性可为空间长时间飞行提供更大的工作安全裕度。

推力可调可通过控制活门调节氧化剂流量,大范围调节发动机的推力,推力2时间曲线可变。

安全性好固液发动机的燃烧室中只有纯固体燃料,液体氧化剂贮存在贮箱中。只有在启动时,即增压输送系统将氧化剂喷入燃烧室固体燃料通道后,才能由接触而燃烧,且混合燃烧基本只沿氧化剂喷入通道进行。因此,其工作方式不同于固体火箭,它不完全依赖壳体粘接,燃烧室壁面的微小泄漏不会影响燃烧,漏气通道也不会增大。而对固体火箭,同样的缺陷将造成灾难性事故。从系统的角度来看,当火箭发生爆炸或涡轮断裂等事故时,固体或液体助推器会随之发生严重爆炸。但固液混合助推器则一般不会出现这种后果,因为纯固体燃料只有与喷入的液体氧化剂接触后才能燃烧。所以,在运输和贮存期间,只要氧化剂与固体燃料的混合处于有效控制之下,即使有外部损伤,固液火箭发动机也不会发生燃烧。因此,其TNT当量接近于零,比固体和液体火箭更安全。

可选用无毒推进剂（无环境污染）固体火箭发动机排出的燃烧物含氯化氢和氧化铝,会严重污染环境;可贮存液体火箭发动机的燃烧排出物也存在同样的问题。而固液火箭发动机选用液氧/固态烃作为推进剂,其燃烧产物极为洁净,不会引起环境污染。典型固体与液氧/聚乙烯混合火箭发动机燃烧排出物的比较见表2。

推进剂成本低与固体火箭推进剂相比,液氧/固态烃混合推进剂价格较低。典型固体推进剂与液氧/聚乙烯混合推进剂的成本为:固体推进剂(过氯酸胺+铝+粘接剂)为80.0德国马克/千克;固液推进剂(液氧+聚乙烯)为4.0德国马克/千克。4

固液火箭助推器在火箭助推器上,它是由固体燃料和液态氧化剂组成的混合式推进系统,是今天可实现的唯一不爆炸火箭发射技术。混合式火箭代表了目前火箭推进系统在技术领域的一个发展方向在安全、低成本和操作灵活性等方面，优于常规的固体火箭和液体火箭。尽管AMROC发射了大量334 kN推力水平的发动机(H一500发动机),但混合式推进系统的发展远比固体或液体火箭缓慢,因此将这项技术带入商业飞行状态是AMROC的近期目标。5

发展前景固液混合式火箭和液体及固体推进剂相比较。对性能、工作适应性、安全性、可靠性、成本、及对周围环境的影响特性成功地位居第一。6