液体火箭发动机现代工程设计PDF电子书下载

目录 1

本书主要物理量英制单位与国际单位换算表 1

第1章　液体火箭发动机概论 1

1.1　液体火箭发动机的基本组成 3

1.2　推力的产生 5

1.3　燃烧室和喷管内的气体流动过程 8

1.3.1　理想气体定律 9

1.3.2　能量守恒原理 9

1.3.3　质量守恒原理 9

1.3.4　定熵流动过程 9

1.3.6　火箭喷管内的气体流动 10

1.3.5　液体火箭发动机燃烧室内的气体流动 10

1.4　液体火箭发动机的性能参数 14

1.4.1　推力室比冲（Is）tc 17

1.4.2　特征速度c 17

1.4.3　推力系数Cf 17

1.4.4　pa,ε,γ,R和（pc）ns对发动机性能的影响 20

1.4.5　发动机性能参数的修正系数及其量值 20

1.5　液体推进剂 23

1.5.1　单组元推进剂 23

1.5.2　双组元推进剂 23

1.5.7　密度比冲 24

1.5.6　最佳混合比 24

1.5.5　液体推进剂的添加剂 24

1.5.3　低温推进剂 24

1.5.4　可贮存液体推进剂 24

1.5.8　液体推进剂选择 25

1.5.9　液体推进剂的性能和物理性质 25

第2章　对发动机的要求和初步设计分析 31

2.1 引言 31

2.2　火箭发动机的主要设计参数 32

2.2.1 推力量级 32

2.2.2　性能 33

2.2.3　工作时间 33

2.2.4　混合比 35

2.2.6　外廓尺寸 36

2.2.5 重量 36

2.2.7　可靠性 38

2.2.8　成本 38

2.2.9　可用性（计划进度） 38

2.3　任务要求 38

2.3.1　典型的任务目标 39

2.3.2　典型的运载器要求优化 42

2.4　发动机初步设计 43

2.4.1　发动机系统和组件方案 43

2.4.2　初步设计优化 52

2.5.1　设计质量的重要性 55

2.5　设计原理 55

2.5.2　系统分析和设计布局 57

2.5.3　应力分析 59

2.5.4　材料选择 63

第3章　实例计算导论 65

3.1 引言 65

3.2　A-1级发动机 66

3.2.1　发动机系统概述 66

3.2.2　系统工作 68

3.3　A-2级发动机 70

3.3.1　发动机系统概述 70

3.3.3　启动程序 71

3.3.2　系统工作 71

3.3.4　关机程序 73

3.4　A-3级发动机 74

3.4.1　发动机系统概述 75

3.4.2　系统工作 76

3.5　A-4级发动机 76

3.5.1　发动机系统概述 77

3.5.2　系统工作 79

第4章　推力室和其他燃烧装置设计 81

4.1　推力室的基本部件 81

4.2　推力室的性能参数 83

4.2.4　性能计算 84

4.2.3　推力系数Cf（无量纲） 84

4.2.1 比冲Is（s） 84

4.2.2　特征速度c*（ft/s） 84

4.3　推力室的构型设计 86

4.3.1　燃烧室容积 87

4.3.2　烧烧室形状 88

4.3.3　喷管扩张面积比 91

4.3.4　喷管形状 91

4.3.5　簇形喷管方案 97

4.3.6　另一种解法 97

4.4.1　冷却技术及其选择 101

4.4　推力室冷却 101

4.4.2　燃气侧传热 103

4.4.3　再生冷却 108

4.4.4　冷却剂侧传热 109

4.4.5　室壁设计考虑 112

4.4.6　管束式推力室设计 112

4.4.7　双层壁推力室设计 114

4.4.8　冷却通道中的压降 114

4.4.9　通道壁设计 119

4.4.10　排放冷却 121

4.4.11　膜冷却 121

4.4.12　液膜冷却 122

4.4.13　气膜冷却 123

4.4.14　混合比偏置 124

4.4.15　发汗冷却 125

4.4.16　烧蚀冷却 125

4.4.17　辐射冷却 128

4.4.18　热沉冷却 129

4.4.19　组合冷却方法 129

4.5　喷注器设计 129

4.5.1　喷注器设计问题 130

4.5.2　燃烧稳定性 131

4.5.3　集液腔 132

4.5.4　集液腔型式 133

4.5.5　喷注单元 136

4.5.6　非撞击式单元 136

4.5.7　互击式单元 136

4.5.8　自击式单元 138

4.5.9　其他的单元型式 138

4.5.10　可节流式喷注器 139

4.5.11　喷注压降和喷孔尽寸 139

4.5.12　喷注器设计的试验评定 141

4.5.13　分析模型 142

4.6　燃气发生器装置 143

4.6.1 固体推进剂燃气发生器 144

4.6.2　液体单组元推进剂燃气发生器 145

4.6.3　液体双组元推进剂燃气发生器 146

4.6.4　推力室抽气系统 148

4.7　点火装置 149

4.7.1 点火器 149

4.7.2 自燃点火器 151

4.7.3　点火检测 157

4.8　燃烧不稳定性 158

4.8.1　不稳定性类型 159

4.8.2　固有的声学不稳定性 160

4.8.4　低频不稳定性 161

4.8.3　喷注耦合声学不稳定性 161

4.8.5　激发机理的防止 162

4.8.6　推进剂供应系统设计 162

4.8.7　燃烧室设计 162

4.8.8　喷注器设计 162

4.8.9　推进剂组合和混合比 163

4.8.10　发动机系统工作特性 163

4.8.11　阻尼装置的应用 163

4.8.12　喷注器隔板 163

4.8.13　室的扩散形壁环 163

4.8.14　声腔和声衬 163

4.8.17　燃烧室扰动 164

4.8.16　供应系统扰动 164

4.8.15　稳定性评定 164

4.8.18 自发不稳定性方法 165

4.8.19　仪器设备 166

第5章　挤压式推进剂供应系统设计 167

5.1　挤压物质需求量的确定 167

5.1.1　必要的系统数据 168

5.1.2　影响挤压物质量的因素 168

5.1.3　挤压物质需求量的设计计算 168

5.2　贮气系统 172

5.2.1　通常使用的结构 172

5.2.2　贮气需求量的计算 174

5.2.3　贮气系统组件设计 178

5.3　推进剂蒸发系统 181

5.3.1 在泵压式推进剂供应系统中的应用 181

5.3.2　在挤压式推进剂供应系统中的应用 183

5.4　惰性气体蒸发系统 183

5.5　化学反应系统 183

5.5.1 固体推进剂燃气发生器 184

5.5.2　液体推进剂燃气发生器 186

5.5.3　直接喷入推进剂贮箱 188

5.6　挤压式供应系统的选择 189

第6章　泵压式推进剂供应系统设计 191

6.1　泵压式供应系统的组成 191

6.1.1 推进剂泵 192

6.1.2　涡轮 194

6.1.3　涡轮动力源 196

6.1.4　涡轮泵传动布局 198

6.1.5　研制的涡轮泵系统描述 198

6.2　涡轮泵系统的性能和设计参数 204

6.2.1　涡轮泵系统性能 204

6.2.2　涡轮泵系统设计参数 204

6.3　诱导轮设计 216

6.4　离心泵设计 220

6.4.1　一般设计程序 220

6.4.2　离心叶轮的工作原理 221

6.4.3　离心叶轮的设计参数 224

6.4.4　泵壳设计 226

6.4.5　离心泵的轴向力平衡 230

6.5　轴流泵设计 231

6.5.1　轴流泵的基本假设 232

6.5.2　叶轮转子的工作 232

6.5.3　静子的功能 236

6.5.4　叶轮转子和静子设计 237

6.5.5　扩压和迟滞系数 238

6.5.6　轴流泵壳设计 238

6.5.7　多级轴流泵的轴向力平衡 239

6.6　涡轮设计 239

6.6.1　一般设计步骤 240

6.6.2　涡轮喷嘴设计 243

6.6.3　涡轮动叶栅设计 246

6.6.4　单级、双子、速度分级冲击式涡轮设计 251

6.6.5　两级、双转子、压力分级冲击式涡轮设计 252

6.6.6　两级、双转子、低反力度涡轮设计 253

6.7　涡轮泵转子动力学及其机械部件 254

6.7.1　转子动力学 254

6.7.2　涡轮泵轴承设计 257

6.7.3　动密封设计 261

6.7.4　涡轮泵齿轮设计 266

6.8　涡轮泵组件设计布局 268

参考文献 270

第7章　火箭发动机控制和状态监测系统设计 271

7.1　控制和状态监测系统——进入一个新时代 271

7.1.1　液体推进剂发动机基本控制系统 271

7.1.2　发动机推力量级控制 273

7.1.3　推进剂混合比和推进剂利用控制 273

7.1.4　推力矢量控制 276

7.1.5　控制和状态监测系统方案及初步设计分析 280

7.1.6　控制方法 280

7.1.7　控制准则的发展 285

7.2.1 流体流动控制组件的设计考虑 294

7.2　流体流动控制组件设计 294

7.2.2　流体控制组件的动密封设计 301

7.2.3　流体控制组件的阀座密封副设计 303

7.2.4　推进剂阀设计 306

7.2.5　先导控制阀设计 310

7.2.6　伺服阀设计 313

7.2.7　气体压力调节器设计 316

7.2.8　液体流量和压力调节器设计 322

7.2.9　卸压阀设计 323

7.2.10　其他流体流动控制组件设计 324

7.3.1　发动机仪表装置 328

7.3　仪表装置和配线设计 328

7.3.2　仪表装置的主要类型 329

7.3.3　仪表装置的安装 333

7.3.4　发动机配线系统 336

7.3.5　设计考虑 337

7.4　航天电子设备设计 344

7.4.1　要求的确定 344

7.4.2　传感器输入要求 344

7.4.3　数据处理要求 345

7.4.4　操纵装置的控制 345

7.4.5　发动机和控制器的自监测 346

7.4.6　环境要求 346

7.4.9　功能配置 347

7.4.8　控制器结构 347

7.4.7　运载器接口 347

7.4.10　故障检测及响应 348

7.4.11　硬件设计准则 350

7.4.12　飞行后数据分析 352

7.4.13　软件要求 352

参考文献 355

第8章　推进剂贮箱设计 357

8.1　设计结构 357

8.1.1　预包装式可贮存液体系统 357

8.1.2　助推级系统 357

8.1.3　上面级系统 358

8.2　设计考虑 359

8.2.1　推进剂性质 359

8.2.2　推进剂贮箱的形状和尺寸 359

8.2.3　推进剂贮箱的布局 361

8.2.4　结构载荷 362

8.2.5　安全系数 362

8.2.6　材料和制造考虑 364

8.2.7　设计问题 364

8.3　结构设计 365

8.3.1　球形贮箱 366

8.3.2　椭球形和球形封头 366

8.3.3　圆柱段 368

8.3.4　圆柱段上的轴向压缩载荷 371

8.3.5 由于冲击引起的水击效应 372

8.4　可贮存液体推进剂贮箱设计 373

8.4.1　贮箱材料的相容性 373

8.4.2　贮箱结构 373

8.4.3　壁面要求 374

8.5　低温液体推进剂贮箱设计 374

8.5.1　低温推进剂贮箱的隔热要求 375

8.5.2　基本的隔热型式 375

8.5.3　贮箱隔热结构的选择 376

8.6　液体推进剂复合材料贮箱设计 377

8.5.4　共用箱壁的隔热 377

8.7　推进剂贮箱增压气体扩散器设计 378

8.8　在零重力或振荡加速度情况下的推进剂排出 379

8.8.1 沉底 379

8.8.2　推进剂管理 379

8.8.3　金属隔膜 379

8.8.4　弹性隔膜 380

8.8.5　膜盒 381

8.8.6　活塞 381

8.8.7　表面张力装置 382

9.2.2　发动机系统中导管的装配 382

9.1.2　推进剂供应导管 383

9.1.1 管路装置 383

9.1 连接件 383

第9章　连接件和支架设计 383

9.1.3　尺寸的确定 388

9.1.4　压降控制 388

9.1.5　泵入口管路振动的控制 391

9.1.6　绝热 391

9.2　导管组件设计 391

9.2.1　导管设计工作压力 392

9.2.3　可拆卸管接头 393

9.3　法兰连接件设计 395

9.3.1　法兰连接件设计的综合考虑 397

9.3.2　法兰连接件结构设计 398

9.3.3　法兰连接的静密封 404

9.4　固定连接件设计 411

9.5　波纹管和挠性连接件 412

9.5.1 引言 412

9.5.2　约束装置 413

9.5.3　基本类型 417

9.5.4　承压能力 420

9.5.5　疲劳寿命 421

9.5.6　柔性波纹管设计 422

9.5.7　波纹管约束装置 423

9.5.8　波纹管与导管的连接 427

9.5.9　流动衬套 428

9.6　挠性软管 429

9.6.1　管路布局 429

9.6.2　尺寸的确定 430

9.6.3 内芯特性 430

9.7　常平座组件 431

参考文献 433

第10章　发动机系统综合设计 436

10.1 系统工程 436

10.2　发动机系统动态分析 437

10.2.1 分析方法 437

10.2.2　发动机数学模型的方程、函数和表格实例 438

10.2.3　发动机系统启动和关机瞬变过程的动态分析 440

10.2.4　发动机和运载器相互作用的动态分析 441

10.2.5　低频燃烧不稳定性 442

10.3　发动机系统校准综合设计 443

10.3.1　校准设计要求 443

10.3.2　挤压式系统的校准设计 444

10.3.3　泵压式系统的校准设计 445

10.4　发动机系统综合性能特性 448

10.4.1 额定状态下发动机性能名义值 448

10.4.2　非额定状态下发动机性能的变化 450

10.4.3　发动机影响系数 450

10.4.4　非线性修正 451

10.5　发动机系统的机械组合 452

10.5.1 基本考虑 452

10.5.2　火箭发动机组件的装配 453

10.5.3　泵压式发动机系统的装配 453

10.5.4　发动机系统的机械防护 455

10.6　液体火箭发动机的组合 456

10.6.1　早期的组合型式 456

10.6.2　最近的组合设计趋势 457

10.7　发动机与运载器之间的交接 460

10.7.1 设计文件 460

10.7.3　连接板 461

10.7.2　空间轮郭 461

10.7.4　动态相互作用 462

10.7.5　发动机操作、安装和勤务型架 470

10.7.6　标准化 470

10.7.7　交付进度表 470

10.7.8　维护和后勤供应 470

10.7.9　发动机的多用途 471

10.7.10　储备和安全裕量 471

第11章　液体推进剂空间发动机设计 472

11.1 主要的空间用途 472

11.1.1　航天器主推进 472

11.1.2　反作用控制 472

11.1.3　应用实例 473

11.2　一般设计考虑 474

11.2.1　推进剂选择 475

11.2.2　航天器系统工作要求 475

11.2.3　飞行环境影响 477

11.3　航天器主推进系统设计 478

11.3.1　系统设计 478

11.3.2　主推力室设计 481

11.3.3　控制组件设计 484

11.3.4　空间飞行任务中的推进剂贮存 485

11.4　反作用控制发动机系统设计 486

11.4.1　航天器姿态控制要求 486

11.4.4　反作用控制系统工作参数优化 487

11.4.2　反作用控制系统工作方式 487

11.4.3　反作用控制系统发动机选择 487

11.4.5　反作用控制发动机的基本系统设计 488

11.4.6　反作用控制系统的冗余设计 489

11.4.7　反作用控制系统的装配和布局 489

11.4.8　反作用控制系统推力室设计 489

11.4.9　反作用控制系统的控制组件设件 491

附录A　重量考虑 492

附录B　可靠性考虑 497

附寻C　火箭发动机材料 505

美国《航空与航天进展丛书》第1卷至第162卷明细表 512