帶燃料及其氧化劑的火箭發動機技術綜述

胡浩

摘 要： 火箭發動機技術的發展是決定航天科技發展進步的關鍵因素，本文簡要介紹了火箭發動機的原理、分類以及發展狀況，并分析了在世界范圍內以及中國國內火箭發動機專利申請趨勢以及申請情況，簡要描述該類技術的起源與技術演進路線，并對其技術發展做出展望。

關鍵詞： 火箭；推進劑；固體；液體；固液；膏體；凝膠

1、序言

火箭發動機技術作為航天運輸和導彈發射的核心技術之一，它是一個國家科技實力的體現，代表了在航天和軍事領域的技術水平，火箭發動機是各類火箭、導彈和航天器最主要的動力裝置，它的發展對改善火箭、導彈和航天器性能起著十分重要的作用，因此，火箭發動機技術的發展是決定航天科技發展進步的關鍵因素。從火箭推進劑類型上分為固體、液體、固液混合、膏體等類型。

2、火箭發動機的發展狀況

2.1火箭發動機的基本原理

火箭發動機是噴氣發動機的一種，將推進劑貯箱或運載工具內的反應物（推進劑）變成高速射流，由于牛頓第三運動定律而產生推力。大部分火箭發動機都是內燃機，也有非燃燒形式的發動機。內燃機形式的火箭發動機主要靠排出高溫高速燃氣來獲得推力，推進劑（由氧化劑和燃料組成）在燃燒室中高壓（10-200 bar）燃燒產生燃氣，一般由噴注器、燃燒室（內裝藥柱）、噴管、推進劑供應系統和貯箱等組成。

2.2火箭發動機的分類

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

2.2.1固體火箭發動機

固體火箭發動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成，一般使用固體推進劑藥柱，藥柱是由推進劑與少量添加劑制成的中空圓柱體，固體推進劑有聚氨酯、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，藥柱點火裝置由電發火管和火藥盒組成，通電后由電熱絲點燃黑火藥，再由黑火藥點火燃藥柱。[1]

固體火箭發動機具有結構簡單，推進劑密度大，易于存儲運輸，使用維護方便、操縱簡單可靠等優點；缺點是“比沖”小

2.2.2液體火箭發動機

液體火箭發動機一般使用液體推進劑，推力室由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成。推進劑通過噴注器注入燃燒室，經霧化，蒸發，混合和燃燒等過成生成燃燒產物，以高速從噴管中沖出而產生推力。以液氫液氧作推進劑的美國航天飛機主發動機SSME和以液氧煤油作推進劑的俄羅斯能源號火箭的RD-170發動機是現代先進液體火箭發動機的代表。[2]

液體火箭發動機由于具有比沖大、性能高、成本低廉、適應性強、工作可靠、在導彈、火箭飛行過程中能夠調節推力、可多次啟動等優勢，在大型運載火箭、衛星發射以及空間飛行器上得到了廣泛的應用。但是液體推進劑大多易燃易爆，而且有毒，密度偏低，使用維護不方便，安全性較低。

2.2.3固液混合火箭發動機

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

其優點主要有安全性好、容易進行推力調節、易關機和重新啟動、推進劑能量較高、環保性好、藥柱穩定性好、溫度敏感性低、經濟性好。可應用前景十分廣泛。

2.2.4凝膠/膏體火箭發動機

作為一種新型火箭推進技術，凝膠/膏體火箭發動機包括驅動裝置、推進劑貯箱、推進劑流量控制系統、等離子點火器、燃燒室、噴管和驅動壓力調節系統。貯箱中的膏體推進劑在驅動裝置作用下，由貯箱進入燃燒室，并由等離子點火器點燃。調節推進劑流量，可以改變推力，當停止供應推進劑時，發動機熄火。壓力反饋系統可以調節驅動裝置的壓力和燃燒室壓力。[3]

凝膠/膏體火箭發動機具有以下幾個優點：比沖性能高、力學性能好、燃燒性能好、工藝性能佳、裝填系數大、能量輸出高、能量密度大、穩定性強等。國外研究起步較早，工作相對系統領先，并已經有少量的應用，但技術尚未完全成熟，距離實用尚有一定的距離。我國在上世紀九十年代才開展相關研究，目前仍處在基礎研究階段。

3、專利申請分析

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

3.1世界范圍內專利申請狀況

在1995年以前，世界范圍內關于火箭發動機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動機，并且技術已經相對比較成熟，在1995年至2003年期間，關于火箭發動機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，有關的專利申請增長到150件/年并且2010年至2014年達到每年月200-250件，可以猜想可能是隨著固液、凝膠/膏體火箭發動機的研究深入，世界范圍內的專利申請都有了大幅增長。中國的專利申請量占據了該領域專利申請的6%，這方面占據世界領先水平的依舊是工業、科技強國如俄羅斯（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，另外大型科技企業申請量較多，超過了個人、科研院所的申請量。

3.2國內專利申請狀況

我國在2007年以前每年關于火箭發動機的專利申請量都沒有超過20件，綜合原因可能有多方面的，可能是受軍事領域保密方面的相關限制，也可能是各企業或科研院所對該領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動機領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，其中大部分為大學或研究所，如北京航空航天大學、西北工業大學、中國航天科技集團公司等，顯示了我國今年來對科研院所的關于航空航天的投入初見回報

4、結語

從中國1970年發射升空第一顆中國的人造衛星“東方紅1號”，到2010年10月1日嫦娥二號衛星成功發射，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動機。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淘汰的液體火箭技術，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，大力研究發展新型、高效的推進技術已經迫在眉睫！■

參考文獻

[1]張淑慧等. 推力可控固體火箭發動機應用及發展[J]. 固體火箭技術. 2002，25（4）：14-15

[2]張貴田. 高壓補燃液氧煤油發動機[M]. 北京： 國防工業出版社，2005.

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