液体火箭发动机推力室设计PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 液体火箭发动机系统的组成和推力室在其中的地位 1

1.1.1 系统构成 1

1.1.2 推力室在系统中的地位 2

1.2 推力室中的能量转换 3

1.2.1 能量转换过程的理想热力循环 3

1.2.2 能量转换过程中的状态参数变化 4

1.2.3 能量转换过程中的热损失与效率 7

1.3 理想推力室的主要简化和常用公式 9

1.3.1 主要简化 9

1.3.2 常用的热力和气动力方程 9

1.4 推力室的参数和效率 14

1.4.1 推力 14

1.4.2 比冲 16

1.4.3 特征速度和燃烧效率 17

1.4.4 推力系数和喷管效率 18

1.4.5 比冲量效率 21

第2章 液体推进剂 23

2.1 液体推进剂的类别 23

2.1.1 概述 23

2.1.2 按用途分类 23

2.1.3 按组元数目分类 23

2.1.4 按照氧化剂和燃料直接接触时的化学反应能力分类 24

2.1.5 按照推进剂其组元保持液态的温度范围分类 25

2.1.6 凝胶推进剂 25

2.2 对液体推进剂的要求 26

2.2.1 推进剂具有高的比冲 26

2.2.2 推进剂组元密度大 26

2.2.3 有较好的传热性能和小的水力损失 27

2.2.4 推进剂的性能有利于在燃烧室内正常、可靠、稳定的工作 27

2.2.5 有良好的储存使用性能 27

2.3 常用的液体推进剂组元和推进剂组合 27

2.3.1 可储存的氧化剂组元 27

2.3.2 不可储存的氧化剂组元 29

2.3.3 可储存的燃料组元 30

2.3.4 不可储存的燃料组元 32

2.3.5 常用的推进剂组合 35

2.4 液体推进剂的参数计算 37

2.4.1 混合比和余氧系数 37

2.4.2 推进剂中元素的质量组成 39

2.4.3 推进剂的焓值 43

第3章 推力室内的热力过程和热力参数计算 44

3.1 平均余氧系数和主要过程参数的选择 44

3.1.1 平均余氧系数的选择 44

3.1.2 燃烧室压力pc的选择 45

3.1.3 喷管出口压力pe的选择 46

3.2 推力室内热力过程的特点 46

3.2.1 概述 46

3.2.2 燃气的离解与复合 47

3.2.3 燃气分子的能量分配 48

3.2.4 化学平衡和能量平衡 49

3.2.5 燃气在喷管中的平衡流动与冻结流动 50

3.2.6 燃气在喷管中的等熵流动和等熵过程指数 51

3.3 热力参数的计算 53

3.3.1 概述 53

3.3.2 燃烧过程的热力参数计算 54

3.3.3 流动过程的热力参数计算 60

3.4 推力室的实际性能参数和几何尺寸 63

3.4.1 实际比冲值的计算 64

3.4.2 流量和主要几何尺寸 64

3.5 热力参数的主要影响因素 65

3.5.1 组元混合比（或余氧系数αm）对热力参数的影响 68

3.5.2 燃烧室内压力（喷管入口压力）pc对热力参数的影响 70

3.5.3 比冲Is的影响因素 70

3.5.4 特征速度c*的影响因素 71

第4章 推力室轮廓尺寸的确定与型面设计 72

4.1 燃烧室轮廓尺寸的确定 72

4.1.1 燃烧室形状与容积的选择 72

4.1.2 燃烧室圆筒段直径和长度的选择 73

4.2 喷管收敛段型面和尺寸的选择 75

4.3 喷管扩散段型面的设计 76

4.3.1 对喷管型面设计的要求 76

4.3.2 喷管型面的种类 77

4.3.3 特形喷管型面的设计方法 80

4.4 喷管中的损失和流量系数 94

4.4.1 摩擦损失 94

4.4.2 不平行损失 96

4.4.3 入口损失 98

4.4.4 化学动力学损失（化学不平衡流动损失） 100

4.4.5 流量系数 101

第5章 喷嘴的工作原理与设计 103

5.1 概述 103

5.1.1 喷嘴的种类 103

5.1.2 喷嘴的主要参数 107

5.1.3 研究的目的和方法 108

5.2 离心式喷嘴 109

5.2.1 理想流体在喷嘴内的流动 109

5.2.2 影响离心式喷嘴工作参数的因素 114

5.2.3 单组元离心式喷嘴的计算步骤 116

5.2.4 离心式喷嘴在实际应用中的几个问题 117

5.2.5 双组元离心式喷嘴 118

5.3 直流式喷嘴 121

5.3.1 液体在喷嘴内的流动 121

5.3.2 影响流量系数Cdh值的因素 122

5.3.3 直流撞击式喷嘴 130

5.4 同轴式喷嘴 140

5.4.1 双组元内混合液气喷嘴 141

5.4.2 双组元内混合气液喷嘴 141

5.4.3 直流式气喷嘴的计算 142

5.5 喷嘴的典型结构 143

5.5.1 单组元离心式喷嘴 143

5.5.2 双组元离心式喷嘴 144

5.5.3 直流离心式喷嘴 144

5.5.4 直流式喷嘴 145

5.5.5 气液喷嘴 146

第6章 燃烧室中的稳定工作过程 148

6.1 概述 148

6.2 液体推进剂组元的雾化 150

6.2.1 雾化过程 150

6.2.2 雾化特性的几个指标 152

6.2.3 影响雾化的主要因素 156

6.3 推进剂组元间的混合 157

6.3.1 混合过程 157

6.3.2 混合的特点 158

6.3.3 混合对燃烧室参数的影响 159

6.4 推进剂组元的蒸发 160

6.5 燃烧 164

6.5.1 集中燃烧模型和分散燃烧模型 164

6.5.2 均质燃烧与异质扩散燃烧 165

6.6 燃烧室工作过程完善程度的评价 166

第7章 推力室的不稳定工作过程 168

7.1 概述 168

7.1.1 不稳定工作的特点 168

7.1.2 不稳定工作过程的类别 169

7.1.3 不稳定工作工程的研究 169

7.2 低频工作不稳定性 170

7.2.1 低频不稳定燃烧 170

7.2.2 发动机—弹体的低频振动 173

7.3 高频不稳定燃烧 173

7.3.1 高频不稳定燃烧的基本特点和类别 173

7.3.2 燃烧室的声学特性 174

7.3.3 高频不稳定燃烧产生的机理 181

7.3.4 影响高频不稳定燃烧的因素 182

7.3.5 防止高频不稳定燃烧的措施 183

7.4 中频流量型振动 188

7.4.1 中频流量型振动的特点 188

7.4.2 中频流量型振动产生的机理 189

7.4.3 中频流量型振动和低频振动与高频振荡燃烧的主要区别 190

7.4.4 影响中频流量型振动的主要因素 191

7.4.5 减小中频流量型振动的措施 192

第8章 喷注器与头部设计 195

8.1 概述 195

8.2 混合单元的选择 196

8.2.1 离心式喷嘴混合单元 196

8.2.2 直流式喷嘴混合单元 197

8.2.3 同轴式喷嘴混合单元 200

8.2.4 直流式喷注器与离心式喷注器的比较 200

8.3 提高燃烧效率的措施 201

8.3.1 合适的混合比和流强分布 201

8.3.2 提高射流的雾化细度 201

8.3.3 二组元之间有较好的混合 202

8.4 保证燃烧稳定性的措施 202

8.4.1 采用合适的能量释放分布 202

8.4.2 采用液相分区 203

8.4.3 合理选择压降 203

8.5 保证结构可靠工作的措施 204

8.5.1 喷注器面的冷却 204

8.5.2 燃烧室内壁的冷却 205

8.5.3 隔板的保护 206

8.6 典型的喷注器排列方案 207

8.6.1 离心式喷注器的排列方案 207

8.6.2 直流式喷注器排列方案 210

8.6.3 同轴式混合单元喷注器的排列方案 213

8.7 喷注器与头部结构设计 214

8.7.1 概述 214

8.7.2 离心式喷注器与头部结构 215

8.7.3 直流式喷注器与头部结构 218

8.7.4 气-液和液-气喷嘴的喷注器和头部结构 221

第9章 推力室内壁的热防护 226

9.1 推力室内壁的热防护方法 226

9.1.1 外冷却 226

9.1.2 内冷却 228

9.1.3 其他热防护方法 230

9.2 典型推力室的热交换过程 232

9.3 燃气向热室壁的传热 235

9.3.1 对流换热 235

9.3.2 辐射热流 241

9.4 冷室壁向冷却剂的传热 244

9.5 膜冷却 250

9.5.1 对液膜冷却效果的影响因素 251

9.5.2 液膜长度的计算 252

9.5.3 近壁燃气混合比的计算 255

9.6 影响热交换系数的因素 262

9.7 推力室身部冷却计算步骤 263

9.7.1 冷却计算的原始数据 263

9.7.2 计算步骤 263

第10章 推力室身部结构 266

10.1 概述 266

10.2 现代发动机推力室广泛使用的冷却通道结构 268

10.2.1 波纹板和铣槽式通道 268

10.2.2 管束式冷却通道 276

10.3 集液器和入口管的结构 277

10.3.1 入口管和集液器的安放位置与冷却液的进入 277

10.3.2 入口管和集液器的结构类型 279

10.4 液膜内冷却环带的结构 281

10.5 头部与身部的连接 283

10.6 典型的身部结构方案 286

10.6.1 波纹板身部结构 286

10.6.2 波纹板与肋条铣槽组合式身部结构 287

10.6.3 肋条铣槽式身部结构 288

10.6.4 管束式身部结构 289

10.6.5 SSME（航天飞机主发动机）发动机身部 290

第11章 推力室的结构强度 292

11.1 推力室的受力情况和强度计算特点 292

11.1.1 工作状态与受力情况 292

11.1.2 强度计算特点 294

11.2 推力室身部壳体的总承载能力 294

11.2.1 极限分析计算方法 295

11.2.2 维·依·费奥多西耶夫计算方法 297

11.3 推力室身部的连接强度和局部强度 302

11.3.1 连接强度 302

11.3.2 局部强度 304

11.3.3 管束式推力室身部结构的局部强度 305

11.4 离心式喷注器的强度 305

11.4.1 计算假设 305

11.4.2 薄板理论计算方法 306

11.4.3 极限分析计算方法 310

11.5 头部外底强度 312

参考文献 316