带燃料及其氧化剂的火箭发动机技术综述

胡浩

摘 要： 火箭发动机技术的发展是决定航天科技发展进步的关键因素，本文简要介绍了火箭发动机的原理、分类以及发展状况，并分析了在世界范围内以及中国国内火箭发动机专利申请趋势以及申请情况，简要描述该类技术的起源与技术演进路线，并对其技术发展做出展望。

关键词： 火箭；推进剂；固体；液体；固液；膏体；凝胶

1、序言

火箭发动机技术作为航天运输和导弹发射的核心技术之一，它是一个国家科技实力的体现，代表了在航天和军事领域的技术水平，火箭发动机是各类火箭、导弹和航天器最主要的动力装置，它的发展对改善火箭、导弹和航天器性能起着十分重要的作用，因此，火箭发动机技术的发展是决定航天科技发展进步的关键因素。从火箭推进剂类型上分为固体、液体、固液混合、膏体等类型。

2、火箭发动机的发展状况

2.1火箭发动机的基本原理

火箭发动机是喷气发动机的一种，将推进剂贮箱或运载工具内的反应物（推进剂）变成高速射流，由于牛顿第三运动定律而产生推力。大部分火箭发动机都是内燃机，也有非燃烧形式的发动机。内燃机形式的火箭发动机主要靠排出高温高速燃气来获得推力，推进剂（由氧化剂和燃料组成）在燃烧室中高压（10-200 bar）燃烧产生燃气，一般由喷注器、燃烧室（内装药柱）、喷管、推进剂供应系统和贮箱等组成。

2.2火箭发动机的分类

火箭推进剂一般以某种形式大量存储在推进剂容器中，其主要成分为燃料和氧化物，两者燃烧反应生成大量高温气体，高温气体膨胀从火箭发动机喷嘴喷出，使火箭产生推力并不断加速。推进剂是产生火箭发动机动力的源头，根据推进剂状态和类型，一般将火箭发动机分为固体、液体、固液混合和膏体等多种形式。

2.2.1固体火箭发动机

固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成，一般使用固体推进剂药柱，药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体，固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。药柱置于燃烧室中，药柱点火装置由电发火管和火药盒组成，通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点火燃药柱。[1]

固体火箭发动机具有结构简单，推进剂密度大，易于存储运输，使用维护方便、操纵简单可靠等优点；缺点是“比冲”小

2.2.2液体火箭发动机

液体火箭发动机一般使用液体推进剂，推力室由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室，经雾化，蒸发，混合和燃烧等过成生成燃烧产物，以高速从喷管中冲出而产生推力。以液氢液氧作推进剂的美国航天飞机主发动机SSME和以液氧煤油作推进剂的俄罗斯能源号火箭的RD-170发动机是现代先进液体火箭发动机的代表。[2]

液体火箭发动机由于具有比冲大、性能高、成本低廉、适应性强、工作可靠、在导弹、火箭飞行过程中能够调节推力、可多次启动等优势，在大型运载火箭、卫星发射以及空间飞行器上得到了广泛的应用。但是液体推进剂大多易燃易爆，而且有毒，密度偏低，使用维护不方便，安全性较低。

2.2.3固液混合火箭发动机

固液混合火箭发动机主要由液体氧化剂供给系统和发动机主体组成。混合推进剂火箭发动机按使用的推进剂组合分为4种：固-液推进剂火箭发动机——使用固体燃料和液体氧化剂、液-固推进剂火箭发动机——使用液体燃料和固体氧化剂、准固-液推进剂火箭发动机——使用贫氧固体燃料药柱和液体氧化剂、三元固-液推进剂火箭发动机——在固体燃料和液体氧化剂的燃烧过程中同时喷入第三组元液氢。

其优点主要有安全性好、容易进行推力调节、易关机和重新启动、推进剂能量较高、环保性好、药柱稳定性好、温度敏感性低、经济性好。可应用前景十分广泛。

2.2.4凝膠/膏体火箭发动机

作为一种新型火箭推进技术，凝胶/膏体火箭发动机包括驱动装置、推进剂贮箱、推进剂流量控制系统、等离子点火器、燃烧室、喷管和驱动压力调节系统。贮箱中的膏体推进剂在驱动装置作用下，由贮箱进入燃烧室，并由等离子点火器点燃。调节推进剂流量，可以改变推力，当停止供应推进剂时，发动机熄火。压力反馈系统可以调节驱动装置的压力和燃烧室压力。[3]

凝胶/膏体火箭发动机具有以下几个优点：比冲性能高、力学性能好、燃烧性能好、工艺性能佳、装填系数大、能量输出高、能量密度大、稳定性强等。国外研究起步较早，工作相对系统领先，并已经有少量的应用，但技术尚未完全成熟，距离实用尚有一定的距离。我国在上世纪九十年代才开展相关研究，目前仍处在基础研究阶段。

3、专利申请分析

本部分的专利申请分析所用的专利文献为有关带燃料及氧化剂的火箭发动机，源于在中文和西文库中分别检索的596篇和4112篇。

3.1世界范围内专利申请状况

在1995年以前，世界范围内关于火箭发动机的专利申请还比较少，可以猜想是因为在这以前主要使用的是固体或者液体火箭发动机，并且技术已经相对比较成熟，在1995年至2003年期间，关于火箭发动机的专利申请量有所上升约维持在100件/年的水平，而从2003年以后，有关的专利申请增长到150件/年并且2010年至2014年达到每年月200-250件，可以猜想可能是随着固液、凝胶/膏体火箭发动机的研究深入，世界范围内的专利申请都有了大幅增长。中国的专利申请量占据了该领域专利申请的6%，这方面占据世界领先水平的依旧是工业、科技强国如俄罗斯（21%）、美国（20%）、日本（12%）、德国（9%）、法国（9%）。并且俄罗斯和美国的企业申请占了大半，如SNECMA、ISKRA RES PRODN ASSOC STOCK CO、UNITED TECHNOLOGIES CORP等公司，另外大型科技企业申请量较多，超过了个人、科研院所的申请量。

3.2国内专利申请状况

我国在2007年以前每年关于火箭发动机的专利申请量都没有超过20件，综合原因可能有多方面的，可能是受军事领域保密方面的相关限制，也可能是各企业或科研院所对该领域的专利申请不够重视，不过总体上还是说明我国在火箭发动机领域的研究水平相对比较落后；直到2007-2011年期间有了较为显著地增长达到每年接近90件，但总体申请量还是偏少。中国申请量排前列的申请人，其中大部分为大学或研究所，如北京航空航天大学、西北工业大学、中国航天科技集团公司等，显示了我国今年来对科研院所的关于航空航天的投入初见回报

4、结语

从中国1970年发射升空第一颗中国的人造卫星“东方红1号”，到2010年10月1日嫦娥二号卫星成功发射，中国人的航天史已足够辉煌，而这一切的根本离不开火箭发动机。但我们必须意识到我国还在使用的是美俄三十年前就已经淘汰的液体火箭技术，最新的固液火箭、凝胶/膏体火箭我们还只是停留在实验室阶段，大力研究发展新型、高效的推进技术已经迫在眉睫！■

参考文献

[1]张淑慧等. 推力可控固体火箭发动机应用及发展[J]. 固体火箭技术. 2002，25（4）：14-15

[2]张贵田. 高压补燃液氧煤油发动机[M]. 北京： 国防工业出版社，2005.

[3]王长起， 胡申林. 一种新型推进剂——膏状推进剂[J]. 火炸药学报（原火炸药）， 1997， 1（2）： 27-29.