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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）tc17

1.4.2　特征速度c17

1.4.3　推力系数Cf17

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