研究笔记 24-06-30
本文最后更新于 2025年1月2日 晚上
项目背景
研制气氧乙醇液体火箭发动机。
液体火箭发动机基本结构
由推力室（由喷注器、燃烧室和喷管构成）、推进剂供应系统、推进剂贮箱和各种自动调节器等部分组成。
推进剂供应系统
- 挤压式供应系统：使用挤压气体的方式输送推进剂，高压储存于气瓶或由燃气发生器生成，通常使用惰性气体。
- 泵压式供应系统：通过涡轮驱动泵实现供应，最常见循环方案：燃气发生器循环、膨胀循环和分级燃烧循环。
- 电泵循环供应系统：书里面没写，以后需要查。
推力室
喷注器
将推进剂雾化混合。
常见的包括直流式喷注器、离心式喷注器和同轴管式喷注器。
- 互击式喷注器：燃料与氧化剂相撞，形成液扇，有助于将液体液化并均匀分散。
- 自击式喷注器：燃料与燃料相撞，氧化剂与氧化剂相撞。
- 三击式喷注器：一组元的一股射流与另一组元的两股射流相撞，适用于氧化剂与燃料流量不同时。
- 淋浴头式喷注器：通过紊流和扩散完成混合。
- 溅板式喷注器：推进器射流与固体表面相撞完成雾化。
- 离心式喷注器：使推进剂在喷嘴中形成漩涡流动，喷入燃烧室后可造成较大角度的锥形喷雾。结构复杂，尺寸较大。
- 同轴管式喷注器：内管外有外套管，内管一端位于喷注器面后方。广泛应用于液氧/液氢为推进剂的发动机中。液氢沿环形管道进入，液化为气氢，流速高。液氧沿内管进入，流速差发生剪切作用，帮助液氧束破碎为小液滴。
喷注器由若干个喷嘴组成，它们的结构和性能决定了喷注器的性能，对推进剂在燃烧室内的完全燃烧和稳定燃烧有较大影响。
燃烧室
推进剂雾化、混合和燃烧的容腔，前接喷注器，后接喷管。燃烧室形状及容积大小对推进剂的燃烧效率有重要影响。
- 球形燃烧室：有较好的承压能力和燃烧稳定性，同体积质量轻受热面积小，但是加工困难。
- 环形燃烧室：实际应用很小。
- 圆筒形燃烧室：被广泛采用，结构简单、容易制造、经济性好。
喷管
高温气体在喷管中膨胀加速，将内能转化为动能。喷管由收敛段、喉段和扩张段三部分组成，分为锥形喷管、钟形喷管、塞式喷管和膨胀偏流喷管。喷管出口气流应与发动机轴线平行。
- 锥形喷管：有设计简单、成本低等优点，适合初学者和小型火箭的使用，但效率较低、长度较长。小角度喷管能提供更大的推力，但是会更长更重，而大角度喷管会降低低空性能。
- 钟形喷管：也称拉瓦尔喷管，有高效率、设计紧凑等优点，但是制造复杂、成本较高。同时特定的喇叭口形状只能在某一特定高度上达到最佳效果。
下面这张图给出了特定条件、五种设计下最佳喷嘴的尺寸比较。从左到右、从上到下分别是锥形喷管、钟形喷管、塞式喷管、膨胀偏流喷管、反射流喷管和混合流喷管。(摘自Huzel & Huang, 1967)
推力室冷却
冷却的目的是防止燃烧室和喷管壁面过热造成损坏。
冷却方式分为稳态冷却和非稳态冷却两类。稳态冷却意味着释放的热量与吸收的热量会最终达到平衡，而发动机可以持续运行；而非稳态冷却意味着无法达到热平衡，燃烧室壁和喷管壁热量会持续上升。
再生冷却
一种稳态冷却技术。一种推进剂组元流入喷注器之前，先流过燃烧室周围的冷却管道。再生一词，说明推进剂吸收热量后再燃烧，释放的热量给后面的推进剂吸收，实现了热量的再利用。
这一技术要求有薄的燃烧室内壁，以完成热量交换。
再生冷却的结构形式一般有下面几种：
- 内外壁间形成的光滑缝隙式冷却通道：推进剂再内外壁的狭小缝隙间高速通过，结构简单但对结构强度要求很高。
- 内外壁相互连接的冷却通道：内外壁间构建通道，可以构建肋条或波纹板。这样既保证了结构强度，又有冷却效果。
- 管束式冷却通道：直接使用紧密排列的细管作为燃烧室壁，通常使用加强箍或承力外套加强推力室结构强度。
辐射冷却
一种稳态冷却技术。热量从推力室外表面辐射散失，冷却能力取决于推力室温度及表面情况。广泛用于燃气温度较低的发动机中，要求使用熔点高的金属或合金作推力室壁。
热沉冷却
一种非稳态冷却技术。在实验中常用，需要非常厚的推力室壁，且推力室壁材料的吸热能力决定了实验时间。
其他方式
- 烧蚀冷却：一种非稳态冷却技术。推力室壁由烧蚀材料制成，高温下分解带走热量。
- 膜冷却：建立气膜，隔绝推进剂与推力室壁，以降低推力室壁温度。
我的整理
推进剂选择
考虑到获取及运输储存安全性等，选用气氧乙醇作推进剂。
考虑到燃烧室内壁热承受能力有限，选用$75\%$乙醇作燃料。
注：$75\%$是体积分数。
推进剂配比
氧气与酒精燃烧方程式：
$$C_2H_5OH+3O_2\xlongequal{\text{点燃}}2CO_2\uparrow+3H_2O$$
氧化剂/燃料比例：
$$V_{O_2(g)}:V_{C_2H_5OH}=390.93$$
结论：$521.24$份体积氧气配$1$份体积$75\%$乙醇。
推进剂供应系统选择
乙醇的供应使用电泵，气氧通过压差自流，使用阀门控制实现。
喷注器设计
目前有互击式喷注器和气液同轴剪切喷嘴两种设计。
- 互击式喷注器：中心为氧气喷孔，两侧为乙醇喷孔。乙醇喷孔以一定角度对撞，形成细小的液滴，与中心喷出的氧气混合。
- 气液同轴剪切喷嘴：气体和液体喷孔同轴布置，气体喷孔位于外侧，液体喷孔位于内侧。气体和液体在喷注器出口处发生剪切作用，增强混合效果。
燃烧室选择
使用技术成熟、造价低廉的圆筒形燃烧室。
喷管选择
鉴于时间和资金问题，暂时采用锥形喷管，后面再研制钟形喷管。
冷却方案选择
鉴于目前发动机设计和方便后续实验，结合电泵完成技术成熟、实现成本较低的再生冷却技术。
书籍参考
液体火箭发动机燃烧过程建模与数值仿真/王振国编著.—北京：国防工业出版社，2012.10
ISBN 978-7-118-08525-9
I. ①液··· II. ①王··· III. ①液体推进剂火箭发动机—燃烧过程—建立模型②液体推进剂火箭发动机—燃烧过程—数值方法 IV ①V434
中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第279370号