帶燃料及其氧化劑的火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)綜述

胡浩

摘 要： 火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展是決定航天科技發(fā)展進(jìn)步的關(guān)鍵因素，本文簡要介紹了火箭發(fā)動機(jī)的原理、分類以及發(fā)展?fàn)顩r，并分析了在世界范圍內(nèi)以及中國國內(nèi)火箭發(fā)動機(jī)專利申請趨勢以及申請情況，簡要描述該類技術(shù)的起源與技術(shù)演進(jìn)路線，并對其技術(shù)發(fā)展做出展望。

關(guān)鍵詞： 火箭；推進(jìn)劑；固體；液體；固液；膏體；凝膠

1、序言

火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)作為航天運(yùn)輸和導(dǎo)彈發(fā)射的核心技術(shù)之一，它是一個國家科技實力的體現(xiàn)，代表了在航天和軍事領(lǐng)域的技術(shù)水平，火箭發(fā)動機(jī)是各類火箭、導(dǎo)彈和航天器最主要的動力裝置，它的發(fā)展對改善火箭、導(dǎo)彈和航天器性能起著十分重要的作用，因此，火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展是決定航天科技發(fā)展進(jìn)步的關(guān)鍵因素。從火箭推進(jìn)劑類型上分為固體、液體、固液混合、膏體等類型。

2、火箭發(fā)動機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

2.1火箭發(fā)動機(jī)的基本原理

火箭發(fā)動機(jī)是噴氣發(fā)動機(jī)的一種，將推進(jìn)劑貯箱或運(yùn)載工具內(nèi)的反應(yīng)物（推進(jìn)劑）變成高速射流，由于牛頓第三運(yùn)動定律而產(chǎn)生推力。大部分火箭發(fā)動機(jī)都是內(nèi)燃機(jī)，也有非燃燒形式的發(fā)動機(jī)。內(nèi)燃機(jī)形式的火箭發(fā)動機(jī)主要靠排出高溫高速燃?xì)鈦慝@得推力，推進(jìn)劑（由氧化劑和燃料組成）在燃燒室中高壓（10-200 bar）燃燒產(chǎn)生燃?xì)猓话阌蓢娮⑵?、燃燒室（?nèi)裝藥柱）、噴管、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)和貯箱等組成。

2.2火箭發(fā)動機(jī)的分類

火箭推進(jìn)劑一般以某種形式大量存儲在推進(jìn)劑容器中，其主要成分為燃料和氧化物，兩者燃燒反應(yīng)生成大量高溫氣體，高溫氣體膨脹從火箭發(fā)動機(jī)噴嘴噴出，使火箭產(chǎn)生推力并不斷加速。推進(jìn)劑是產(chǎn)生火箭發(fā)動機(jī)動力的源頭，根據(jù)推進(jìn)劑狀態(tài)和類型，一般將火箭發(fā)動機(jī)分為固體、液體、固液混合和膏體等多種形式。

2.2.1固體火箭發(fā)動機(jī)

固體火箭發(fā)動機(jī)由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成，一般使用固體推進(jìn)劑藥柱，藥柱是由推進(jìn)劑與少量添加劑制成的中空圓柱體，固體推進(jìn)劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。藥柱置于燃燒室中，藥柱點(diǎn)火裝置由電發(fā)火管和火藥盒組成，通電后由電熱絲點(diǎn)燃黑火藥，再由黑火藥點(diǎn)火燃藥柱。[1]

固體火箭發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，推進(jìn)劑密度大，易于存儲運(yùn)輸，使用維護(hù)方便、操縱簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是“比沖”小

2.2.2液體火箭發(fā)動機(jī)

液體火箭發(fā)動機(jī)一般使用液體推進(jìn)劑，推力室由推進(jìn)劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成。推進(jìn)劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化，蒸發(fā)，混合和燃燒等過成生成燃燒產(chǎn)物，以高速從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。以液氫液氧作推進(jìn)劑的美國航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)SSME和以液氧煤油作推進(jìn)劑的俄羅斯能源號火箭的RD-170發(fā)動機(jī)是現(xiàn)代先進(jìn)液體火箭發(fā)動機(jī)的代表。[2]

液體火箭發(fā)動機(jī)由于具有比沖大、性能高、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠、在導(dǎo)彈、火箭飛行過程中能夠調(diào)節(jié)推力、可多次啟動等優(yōu)勢，在大型運(yùn)載火箭、衛(wèi)星發(fā)射以及空間飛行器上得到了廣泛的應(yīng)用。但是液體推進(jìn)劑大多易燃易爆，而且有毒，密度偏低，使用維護(hù)不方便，安全性較低。

2.2.3固液混合火箭發(fā)動機(jī)

固液混合火箭發(fā)動機(jī)主要由液體氧化劑供給系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)主體組成。混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)按使用的推進(jìn)劑組合分為4種：固-液推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)——使用固體燃料和液體氧化劑、液-固推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)——使用液體燃料和固體氧化劑、準(zhǔn)固-液推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)——使用貧氧固體燃料藥柱和液體氧化劑、三元固-液推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)——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。

其優(yōu)點(diǎn)主要有安全性好、容易進(jìn)行推力調(diào)節(jié)、易關(guān)機(jī)和重新啟動、推進(jìn)劑能量較高、環(huán)保性好、藥柱穩(wěn)定性好、溫度敏感性低、經(jīng)濟(jì)性好?？蓱?yīng)用前景十分廣泛。

2.2.4凝膠/膏體火箭發(fā)動機(jī)

作為一種新型火箭推進(jìn)技術(shù)，凝膠/膏體火箭發(fā)動機(jī)包括驅(qū)動裝置、推進(jìn)劑貯箱、推進(jìn)劑流量控制系統(tǒng)、等離子點(diǎn)火器、燃燒室、噴管和驅(qū)動壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。貯箱中的膏體推進(jìn)劑在驅(qū)動裝置作用下，由貯箱進(jìn)入燃燒室，并由等離子點(diǎn)火器點(diǎn)燃。調(diào)節(jié)推進(jìn)劑流量，可以改變推力，當(dāng)停止供應(yīng)推進(jìn)劑時，發(fā)動機(jī)熄火。壓力反饋系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置的壓力和燃燒室壓力。[3]

凝膠/膏體火箭發(fā)動機(jī)具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：比沖性能高、力學(xué)性能好、燃燒性能好、工藝性能佳、裝填系數(shù)大、能量輸出高、能量密度大、穩(wěn)定性強(qiáng)等。國外研究起步較早，工作相對系統(tǒng)領(lǐng)先，并已經(jīng)有少量的應(yīng)用，但技術(shù)尚未完全成熟，距離實用尚有一定的距離。我國在上世紀(jì)九十年代才開展相關(guān)研究，目前仍處在基礎(chǔ)研究階段。

3、專利申請分析

本部分的專利申請分析所用的專利文獻(xiàn)為有關(guān)帶燃料及氧化劑的火箭發(fā)動機(jī)，源于在中文和西文庫中分別檢索的596篇和4112篇。

3.1世界范圍內(nèi)專利申請狀況

在1995年以前，世界范圍內(nèi)關(guān)于火箭發(fā)動機(jī)的專利申請還比較少，可以猜想是因為在這以前主要使用的是固體或者液體火箭發(fā)動機(jī)，并且技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，在1995年至2003年期間，關(guān)于火箭發(fā)動機(jī)的專利申請量有所上升約維持在100件/年的水平，而從2003年以后，有關(guān)的專利申請增長到150件/年并且2010年至2014年達(dá)到每年月200-250件，可以猜想可能是隨著固液、凝膠/膏體火箭發(fā)動機(jī)的研究深入，世界范圍內(nèi)的專利申請都有了大幅增長。中國的專利申請量占據(jù)了該領(lǐng)域?qū)＠暾埖?%，這方面占據(jù)世界領(lǐng)先水平的依舊是工業(yè)、科技強(qiáng)國如俄羅斯（21%）、美國（20%）、日本（12%）、德國（9%）、法國（9%）。并且俄羅斯和美國的企業(yè)申請占了大半，如SNECMA、ISKRA RES PRODN ASSOC STOCK CO、UNITED TECHNOLOGIES CORP等公司，另外大型科技企業(yè)申請量較多，超過了個人、科研院所的申請量。

3.2國內(nèi)專利申請狀況

我國在2007年以前每年關(guān)于火箭發(fā)動機(jī)的專利申請量都沒有超過20件，綜合原因可能有多方面的，可能是受軍事領(lǐng)域保密方面的相關(guān)限制，也可能是各企業(yè)或科研院所對該領(lǐng)域的專利申請不夠重視，不過總體上還是說明我國在火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的研究水平相對比較落后；直到2007-2011年期間有了較為顯著地增長達(dá)到每年接近90件，但總體申請量還是偏少。中國申請量排前列的申請人，其中大部分為大學(xué)或研究所，如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國航天科技集團(tuán)公司等，顯示了我國今年來對科研院所的關(guān)于航空航天的投入初見回報

4、結(jié)語

從中國1970年發(fā)射升空第一顆中國的人造衛(wèi)星“東方紅1號”，到2010年10月1日嫦娥二號衛(wèi)星成功發(fā)射，中國人的航天史已足夠輝煌，而這一切的根本離不開火箭發(fā)動機(jī)。但我們必須意識到我國還在使用的是美俄三十年前就已經(jīng)淘汰的液體火箭技術(shù)，最新的固液火箭、凝膠/膏體火箭我們還只是停留在實驗室階段，大力研究發(fā)展新型、高效的推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫！■

參考文獻(xiàn)

[1]張淑慧等. 推力可控固體火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)用及發(fā)展[J]. 固體火箭技術(shù). 2002，25（4）：14-15

[2]張貴田. 高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社，2005.

[3]王長起， 胡申林. 一種新型推進(jìn)劑——膏狀推進(jìn)劑[J]. 火炸藥學(xué)報（原火炸藥）， 1997， 1（2）： 27-29.