液体火箭发动机设计复习题答案

Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】 第二章 1、总体对发动机设计提出的技术要求包括哪些方面； 飞行器总体对发动机设计提出的技术要求主要在发动机用途、工作性能、质量和结构尺寸、环境条件及经济性等方面，同时在设计任务书中给出对这些参数的具体要求，它们是发动机设计的主要依据。 2、液体火箭发动机系统设计主要有哪四个阶段； 发动机系统设计主要有：系统方案论证、系统方案设计、系统试验和系统定型四个阶段 3、液体火箭发动机主要参数的选择有哪些； 根据导弹或火箭总体设计部门提出的基本要求，可以设计选择发动机一系列可变参数，如推进剂的选择、混合比的选择、燃烧室压力的选择、喷管扩张比的选择、推进剂质量的选择、系统参数平衡等。 4、挤压系统分类 、贮箱增压压力的确定； 分类：贮气系统、液体汽化系统、化学反应系统 确定：挤压式系统贮箱增压压力的提高会引起整个供应系统的质量大大增加（主要是贮箱 结构质量），所以挤压式系统的燃烧室压力都不取得很高。一般在比冲和质量的折中考虑下，选取一个合理的较低燃烧室压力，保证贮箱压力较低，同时设计时应力求减少供应系统的流阻损失。 （《第2章液发系统设计》ppt P86） 5、泵压式系统贮箱增压压力的确定；（《第2章液发系统设计》ppt P114） （1）保证泵不发生汽蚀 （2）保证贮箱不破坏 （3）对增压气瓶的影响 确定方法：计算得到按系统质量最轻条件的增压压力为P1，满足泵汽蚀条件的增压压力为P2。（1）P1≈P2；（2）P1＞＞P2；（3）P1＜＜P2。 综上所述，增压压力的选择应根据以上几个部件的总质量为最轻来确定，然后检验动力系统的工作是否满足来作适当的调整。 6、发动机混合比和推力矢量控制方案； 推力矢量控制：方法的选择取决于所需力矩的大小，也和发动机系统和结构方案有关。 （《第2章液发系统设计》ppt P133） （1）单推力室发动机 ：燃气舵、辅助射流、二次喷射控制、 摆动推力室或喷管 （2）多推力室发动机：两室、三室、四室 发动机混合比： 混合比开环控制（混合比控制的最简单形式是在推进剂主管 路中设置适当尺寸的校准孔板。）、混合比闭环控制 （《第2章液发系统设计》ppt P145） 7、挤压式系统管路特性和组元混合比的调整计算； 挤压系统的管路特性：就是推进剂管路系统的压力损失和系统中推进剂组元流量之间的函数关系。 组元混合比的调整计算：可采用下面两种方法：液路装节流圈、增压气路安装节流元件 （《第2章液发系统设计》ppt P153） 8、液体火箭发动机控制系统设计的基本步骤； 第三章

1、 推力室的组成 主要由推力室头部、燃烧室和喷管组成，喷管由收敛段（亚声速喷管段）和扩张段（超声速喷管段）组成。 推力室还包括其它一些部件，例如，对于非自燃推进剂的点火装置、推力室固定部件、推力传递装置、推进剂入口分配部件（燃气导管、冷却剂入口集液器等）。 2、推力室的主要设计内容 1. 根据要求的海平面或真空推力和比冲，推进剂混合比，以及推力室的最大外廓尺寸和质量限制等，选择燃烧室压力和喷管出口压力参数。 2. 根据热力气动计算结果，给出推力室的地面或真空理论比冲、理论质量流量、临界截面积、喷管面积比等。 3. 根据定型推力室的性能数据，选择燃烧室效率和喷管效率，确定推力室的实际地面或真空比冲，实际流量和临界截面积等。 4. 根据选择的燃烧室特征长度，质量流量密度和收缩比，确定燃烧室直径和长度，根据面积比，设计喷管型面。 5. 喷注器、燃烧室和喷管的具体结构设计，其中包括再生冷却剂的选择，材料的选用，加工方法和检验方法的确定。 6. 根据推力室的初步结构方案，进行有关的传热、流阻损失和强度等各项计算。 7. 绘制推力室图纸、编写生产、试验技术文件，设计和计算说明书，根据发动机的研制

3、燃烧室的设计要求 1. 合理选择燃烧室尺寸和形状，在最小的容积下得到最高的燃烧效率。 2. 减小燃气的总压损失。 3. 合理地组织内、外冷却，防止内壁烧蚀。 4. 结构简单，质量轻，工作可靠。 4、影响完全燃烧程度的主要因素 1. 燃料雾化和混合气形成的质量。取决于喷嘴的形式，喷嘴在推力室头部的位置及推力室头部的形状、燃烧室的形状，燃料雾化和混气形成的质量愈差，则 其化学反应进行得完全所需的时间也愈长。 2. 推进剂停留时间。（燃烧室初步设计需要选择的参数） 5、经常采用的燃烧室几何形状 现有的液体火箭发动机燃烧室的形状基本为三种形式：球形、接近球形（椭球形或梨形）和圆柱形（圆筒形）。 6、燃烧室的轮廓设计 （该答案仅供参考） 燃烧室型面的设计就是选择燃烧室形状和尺寸，并在尽可能小的燃烧室容积内保证较高的燃烧效率（燃烧完全程度）。 7、喷管类型 锥形喷管、特型喷管、环形喷管 8、几种特型喷管型面的简单造型方法 采用特性线法计算最大推力喷管，或者通过对最大冲量喷管进行截短的方法设计喷管，计算过程都十分繁琐，实际采用的多为简化方法。喷管扩张段型面的设计方法有锥形喷管造型、抛物线法造型、双圆弧法、最大推力喷管造型法等。 对性能要求不高时，可采用简单的锥形喷管，扩张比相对较小的大推力发动机喷管可采用双圆弧法来设计型面，对于喷管扩张比大的上面级发动机和小推力发动机，通常采用最大推力喷管造型法。

9、推力室头部的设计要求 （1）保证推进剂组元良好的雾化质量 （2）保证燃烧室横截面上的流量密度分布符合设计要求， （3）保证燃烧室横截面上的余氧系数分布符合设计要求。 （4）保证燃烧室壁内表面附近形成温度较低的边界层。 （5）混气形成区长度尽可能短。 （6）防止燃料组元或氧化剂组元喷射到室壁上。 （7）所选择喷嘴压降，既要保证燃烧稳定和安全，又要保证有利的输送系统重量。 （8）头部构造简单，重量轻，工艺性良好，生产成本低。 1. 喷嘴类型 答：1）按照被喷射物质来分：可分为气体喷嘴、液体喷嘴和气体—液体喷嘴（气液喷嘴）； 2）按照喷嘴的构造来分：可分为直流式喷嘴、离心式喷嘴和直流—离心式喷嘴； 3）按照进入一个喷嘴的组元数目来分：可分为单组元喷嘴、双组元和三组元喷嘴 2. 雾化特性 答：雾化过程的特性是指雾化的细度和雾化的均匀度，对于单个喷嘴来说还有喷雾锥的形状和喷射距离。 雾化的细度由射流裂碎后所形成液滴的尺寸来表征。 雾化的均匀度用液滴直径变化的范围来确定。 3. 影响喷嘴流量系数的因素 答：①孔长径比（l/d）的影响 ② 喷嘴压降的影响 ③ 横向速度的影响 ④ 喷嘴反压的影响 ⑤ 进口倒角2α和进口倒角深度e的影响 ⑥ 倾斜角β的影响 ⑦ 表面加工质量的影响 4. 互击式直流喷嘴计算 答： 5. 离心式喷嘴的几何特性（喷雾锥角等的变化） 答： 6. 双组元离心式喷嘴的特点

答：1）每个双组元离心式喷嘴，可按所需的组元混合比进行计算，因而较易于达到按要求的组分比分布均匀混合，从而可以提高燃烧室的冲量效率； 2）缩短了组元混气形成的时间，因而可以提高燃烧的完善程度，或者可以减小燃烧室容积尺寸。 3）在通过流量一定的条件下，双组元离心式喷嘴比单组元离 心式喷嘴所占的面积小。 4）双组元喷嘴间距较大，燃气回流较强，因此头 部易被烧蚀。设计这种头部时，要注意头部热防护问题。 7. 直流式、离心式两类喷嘴各自的特点 答：直流式特点： ① 直流式流量系数大，尺寸小。 ② 直流式雾化质量不好，液滴不细。 ③ 直流式射流在离开喷管较远的地方才开始雾化。 ④ 直流式喷射锥角也较小。 离心式特点： ① 喷嘴单独加工，结构复杂。 ② 保持喷嘴压降恒定时，可通过改变喷嘴内部结构尺寸调 整喷嘴流量系数和喷雾锥角。 ③ 喷雾锥大，加速雾化、蒸发过程，有利于和相邻的喷雾 锥混合。 ④ 喷嘴体积大，流量系数小。 8. 喷嘴排列的要求和问题 答：要求：1、性能要求；2、稳定性要求；3、可靠性要求；4、要有足够的强度和刚度；5、流阻损失要小；6、结构应尽可能简单，工艺性能要好。 问题：1）关于稳定性和性能之间的矛盾；2）关于可靠性和性能之间的矛盾；3）强度和刚度要求与性能之间的矛盾；4）流阻损失小与性能之间的矛盾；5）结构简单与性能之间的矛盾； 9. 离心式喷嘴混合单元 答：蜂窝式排列：喷嘴按蜂窝式排列时，每个燃料喷嘴周围有六个氧化剂喷嘴，每个混合单元形成蜂窝形状。在这混合单元中，有燃料喷嘴nf = 1和氧化剂喷嘴no=2，喷嘴总数n=no+nf=3 棋盘式排列：A = 1cm2 nf = no = n = 1 n / A = 1 no / nf = 1 方窝式排列：A = 4cm2 nf = 1 no =3 n = 4 n / A = 1 no / nf = 3 HNO3为氧化剂时，Km = 2 ~ 密集度不如蜂窝式。 10. 单组元离心式喷嘴的计算 答：计算时已知的或选定的原始数据 ： 1.喷嘴的流量：目前在液体火箭发动机中应用的离心式喷嘴的流量大约为30～300g/s； 2.雾化角：一般雾化角a=30～120°，常用90-120°； 3.喷嘴压降：一般取喷嘴压降Δp＝ ～。对于自燃推进剂，最小允许的喷嘴压降为～，对于非自燃推进剂，最小压降可为～。 4.推进剂的物理性质：如比重，粘度等。 5.离心式喷嘴的类型：涡流器离心式或切向孔喷嘴。 11. 推力室身部热防护方法 12. 热防护方法的优缺点 答 13. 对流外冷却传热过程 答：1）燃气向内壁的传热（对流+辐射） 2）热流经过内壁的热传导 3）内壁向冷却剂的对流传热。 14. 冷却表面肋条的散热效应 答：肋条可增大向冷却剂的散热量，这种现象可用肋条效应系数η来评估： α1=α0η；α0 —无肋条表面向冷却剂散热的散热系数；α1 —有肋条表面的有效散热系数。 15. 再生冷却：可靠冷却的条件 16. 再生冷却：合理性条件 答：1. 冷却套内的压力损失应尽可能最小，以降低推进剂供应系统的功率和质量 2. 冷却套应有良好的工艺性 17. 再生冷却的制约条件