美国军事:液体火箭发动机

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液体推进剂火箭发动机(Liquid Propellant Rocket Engine,缩写为LPRE),简称液体火箭发动机或液态火箭发动机,是指采用液态的燃料和氧化剂作为能源和工质的火箭发动机。液体火箭发动机的基本组成包括推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统等。液体推进剂(Liquid rocket propellant)贮存在推进剂贮箱(Propellant tank)内,当发动机工作时推进剂在推进剂供应系统的作用下按照要求的压力和流量输送至燃烧室(Combustion chamber),经雾化、蒸发、混合和燃烧生成高温高压燃气,再通过喷管加速至超声速排出,从而产生推力。

美国军事:液体火箭发动机

液体火箭发动机使用的推进剂可以是一种液态化学物,即单组元推进剂,也可以是几种液态化学物的组合,即双组元推进剂及三组元推进剂,它们均具有较高的能量特性。常用的单组元推进剂是肼,主要用于小推力发动机。双组元推进剂主要有液氧/液氢、液氧/烃类(煤油、汽油和酒精等)、硝酸/烃类、四氧化二氮/偏二甲肼等组合。

历史上第一枚液体火箭是由美国火箭学家罗伯特·戈达德于1926年发射的。德国火箭专家冯·布劳恩的研究团队在第二次世界大战期间研制的V-2火箭极大地促进了大型液体火箭发动机的发展。二战后,美国和苏联/俄罗斯等许多国家研制了大量的液体火箭发动机。液体火箭发动机作为最为成熟的火箭推进系统之一,具有较高的性能和许多独特的优点,目前被广泛应用于运载火箭、航天器以及导弹。液体火箭发动机还曾在二战时期被短暂作为飞机的推进动力。

1936年,美国加州理工学院空气动力学家西奥多·冯·卡门领导的古根海姆航空实验室(Guggenheim Aeronautical Laboratory)(缩写为GALCIT)开始液体火箭相关研究工作,包括不同推进剂的性能研究以及推力室的设计和测试。

自20世纪40年代起,多家美国公司陆续参与了液体火箭发动机的研制。反应发动机公司(Reaction Motors)(RMI)是美国第一家液体火箭发动机公司,是由美国火箭学会的四位成员于1941年成立的。其设计的最有名的发动机是为贝尔X-1飞机设计的RMI 6000C-4火箭发动机(Reaction Motors 6000C4),拥有四个推力室,总推力达6000磅力,采用液氧/酒精作为推进剂,还被用于道格拉斯D-558-2天空火箭(Douglas D-558-2 Skyrocket)、北美X-15。

喷气飞机公司,由冯·卡门等人于1942年成立,是美国第二家研制火箭发动机的公司。喷气飞机公司为A-20轰炸机、B-29轰炸机、B-45轰炸机(B-45 Tornado)、B-47轰炸机等许多军用飞机研制了一系列喷气助推起飞(JATO)液体火箭发动机,还为波马克导弹IM-99A设计过液体火箭助推器。喷气飞机公司设计的最成功的大型液体火箭发动机是分别用于大力神系列运载火箭的第一级和第二级的LR-87(LR-87)和LR-91火箭发动机(LR-91)。LR-87发动机为双推力室,LR-91发动机为单推力室,它们最初使用液氧/煤油(RP-1)作为推进剂,后来改用四氧化二氮/混肼50(Aerozine 50)。

洛克达因是美国重要的液体火箭发动机制造商。其基于德国V-2火箭的发动机技术,为美国第一种弹道导弹——红石导弹研制了A-6和A-7火箭发动机,海平面推力可达78,000磅力。红石导弹的发动机在1958年被用于发射美国第一颗人造卫星探险者一号的朱诺1号运载火箭,在1961年被用于执行美国首次载人亚轨道太空飞行任务的水星-红石运载火箭(Mercury-Redstone Launch Vehicle)。其在20世纪50年代分别为美国第一种洲际弹道导弹——宇宙神导弹以及朱庇特弹道导弹和雷神弹道导弹等设计了液体火箭发动机。洛克达因的历史性成就之一就是研发了用于发射阿波罗飞船以实现人类首次登月的土星5号运载火箭的F-1和J-2火箭发动机。F-1发动机是世界上推力最大的单推力室发动机,海平面推力达1,522,000磅力,采用液氧/煤油作为推进剂,被用于土星5号的第一级;J-2发动机是世界上第一个大推力氢氧火箭发动机,被用于第二级。洛克达因的历史性成就还包括为美国航天飞机设计的航天飞机主发动机(缩写为SSME),亦即RS-25火箭发动机。它使用液氧/液氢作为推进剂,是美国第一个采用分级燃烧循环的液体火箭发动机。RS-68火箭发动机是洛克达因于20世纪90年代末在航天飞机主发动机的基础上研发的低成本大推力液体发动机,通过采用中等燃烧室压力、简化发动机设计以达到降低成本的目的,被用于德尔塔4号运载火箭的公共助推核心。

普惠公司在1957年决定进入液体火箭发动机领域。其最成功的液体火箭发动机就是RL10火箭发动机,于1963年首次成功飞行,是世界上第一个使用液氧/液氢作为推进剂以及第一个采用膨胀循环的火箭发动机。RL10系列发动机主要被用于半人马座火箭、土星1号运载火箭的S-IV级以及德尔塔3号和4号运载火箭的第二级等上面级。

现隶属于诺斯洛普·格鲁门公司空间技术部的推进产品中心(Propulsion Products Center),原为TRW公司(TRW Inc.)的部门,是美国最早研发以肼为推进剂的单组元液体火箭发动机的机构。其为航天器研制了许多单组元和双组元液体火箭发动机,包括卫星姿态控制发动机、液体远地点发动机(Liquid Apogee Engine)以及阿波罗登月舱的下降级推进系统(Descent Propulsion System)。

成立于2002年的太空探索科技公司(SpaceX)为自家致力于可回收使用的猎鹰系列运载火箭研制了默林火箭发动机和红隼火箭发动机(Kestrel (rocket engine));为龙飞船研制了天龙座火箭发动机(Draco (rocket engine))和超级天龙座火箭发动机(SuperDraco)。SpaceX正在研发大推力的猛禽火箭发动机(Raptor (rocket engine)),使用液氧/液态甲烷作为推进剂,采用全流量分级燃烧循环。

包括中国、欧洲多国(如法国、德国、英国意大利、挪威、比利时、荷兰等)、日本印度等国家也都成立了各自的液体火箭发动机研究机构和公司,研制和发射了许多液体火箭发动机。中国于20世纪60年代开始研制大推力液体火箭发动机,设计了YF系列火箭发动机,用于发射长征系列运载火箭。法国的斯奈克玛公司在20世纪80年代末开始为阿丽亚娜5型运载火箭研发火神发动机并成功发射。日本在20世纪60-70年代从美国引进火箭技术,并从80年代起先后自主研发了LE-5火箭发动机和LE-7火箭发动机并发射了H-I和H-II运载火箭。印度在低温火箭发动机也取得突破,成功研制了大推力氢氧发动机——CE-20火箭发动机。

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