液体火箭发动机

液体推进剂火箭发动机（英语：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。液体推进剂贮存在推进剂贮箱内，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，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。
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。

早期开创性成果

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、罗伯特·戈达德和赫尔曼·奥伯特被公认为是现代火箭学之父，他们在同一时期各自独立进行着现代火箭的早期研究工作。
1903年，俄罗斯教师康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发表了第一部提出利用火箭进行航天活动的著作《利用反作用力设施探索宇宙空间》（俄语：Исследование мировых пространств реактивными приборами）。齐奥尔科夫斯基提出液体推进剂比固体推进剂能提供更多能量，认为液氧/液氢是用于航天飞行的最佳推进剂，并且给出包含燃烧室、喷管和推进剂贮箱等关键要素的液体火箭发动机的概念性草图。此外，他还推导出逃逸速度和火箭方程，提出多级火箭设想。但齐奥尔科夫斯基并未实际建造和测试任何火箭。
美国克拉克大学教授罗伯特·戈达德在1914年就申请了关于液体燃料火箭装置的专利，并且在1919年发表了关于火箭飞行的数学理论的著作《到达极高空的方法》（英语：A Method of Reaching Extreme Altitudes）。在1921年至1925年期间，戈达德进行了液体火箭发动机地面静态试验。1926年3月16日，戈达德在马萨诸塞州的奥本成功发射了历史上首枚液体燃料火箭。这枚火箭采用液氧/汽油作为推进剂，仅飞行了41英尺高、185英尺远，历时2.5秒。戈达德在液体火箭的研究上取得过很多开创性成果。但由于戈达德在世期间不愿太多发表和透露他的液体火箭发动机的设计细节、试验数据等有用信息，因此他的研究成果并未对美国的液体火箭发展产生太大影响。
1923年，德国科学家赫尔曼·奥伯特发表了题为《飞向星际空间的火箭》（德语：Die Rakete zu den Planetenräumen）的著作，并且在1929年修订了这本书，将其命名为《通向航天之路》（德语：Wege zur Raumschiffahrt）。该书由于其重要的科学价值而得到国际上的认可。20世纪30年代，奥伯特建造并试验了他的概念性的液体火箭发动机。他的第一枚火箭于1931年5月7日在德国柏林附近发射。

德国（二战时期）

1927年，德国的一群业余火箭研究者成立了德国空间旅行学会（缩写为VfR），奥伯特也是其成员之一。
20世纪30年代初，德国陆军装备部开始筹建官方的火箭研究组织。德国陆军军官瓦尔特·多恩伯格组建了由德国火箭专家沃纳·冯·布劳恩领导的火箭研究小组。冯·布劳恩的研究团队起初在柏林南郊的库默斯多夫进行远程火箭的研究，后来又搬至德军在佩内明德新建的火箭研究基地继续工作。他们相继设计和测试了A-1、A-2、A-3和A-5等实验火箭以及实用化的大型火箭A-4。其发动机主要由德国火箭专家瓦尔特·泰尔负责研制。A-4火箭于1942年10月3日在佩内明德成功试射，并在1944更名为V-2火箭，是第二次世界大战中著名的弹道导弹。V-2火箭的发动机使用液氧/酒精作为推进剂，推力可达56,000磅力，采用薄膜冷却和再生冷却的方法对推力室进行冷却，采用由高锰酸钠催化过氧化氢分解生成的高温气流来驱动涡轮泵进行泵压式增压输送推进剂。1945年，二战结束，冯·布劳恩和他的火箭团队向美军投降，相关技术报告和图纸以及V-2火箭一起运送到美国，而苏联也得到了V-2火箭的部件和设备。V-2火箭具有极大的历史意义，它对美国和苏联的大型液体火箭发动机的发展起到巨大的推动作用。
20世纪30年代后期，德国也对用于火箭动力飞机的液体火箭发动机进行研究。德国工程师赫尔穆特·瓦尔特的公司研制了这些液体火箭发动机。1939年6月20日，世界上第一架单独使用液体火箭发动机作为推进动力的飞机——He 176飞机试飞成功，采用的是瓦尔特设计的HWK R1发动机。Me 163战斗机是德国在二战中唯一服役的火箭动力战斗机，采用的是HWK 109-509发动机，使用C-Stoff和T-Stoff分别作为燃料和氧化剂。

美国

1930年，一群以科幻小说作家为主的爱好者成立了美国火箭学会（缩写为ARS），随后开展火箭的设计和实验工作。
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（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（缩写为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，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、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-47轰炸机等许多军用飞机研制了一系列喷气助推起飞液体火箭发动机，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和LR-91火箭发动机。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。
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。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、液体远地点发动机以及阿波罗登月舱的下降级推进系统。
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；为龙飞船研制了天龙座火箭发动机和超级天龙座火箭发动机。SpaceX正在研发大推力的猛禽火箭发动机，使用液氧/液态甲烷作为推进剂，采用全流量分级燃烧循环。

苏联和俄罗斯

1924年，世界上第一个民间业余火箭学会——星际旅行研究学会在苏联成立。它吸引了包括齐奥尔科夫斯基在内的众多成员。
苏联政府自20世纪20年代起开始建立液体火箭研究部门。第一个机构是于1921年成立的喷射推进实验室，并在1928年更名为气体动力学实验室（缩写为GDL）。苏联火箭专家瓦连京·格鲁什科在1929年进入气体动力学实验室，负责液体火箭发动机研究。格鲁什科团队研制了包括苏联第一个液体火箭发动机ORM-1在内的一系列ORM发动机，试验研究了许多不同的推进剂，提出并实现了推进剂自燃点火，还对特型喷管进行了研究。ORM­-65发动机是其研制的最成功的发动机之一，被用于RP­-318火箭动力滑翔机和212巡航导弹。
另一个火箭研究部门是成立于1931年的喷气推进研究组（缩写为GIRD），由苏联火箭专家谢尔盖·科罗廖夫担任其领导。喷气推进研究组分为四个研究团队，苏联航天学家弗里德里希·灿德尔负责其中的液体火箭发动机研究。灿德尔设计并试验了OR-1、OR-2等发动机，还参与了GIRD-X火箭的设计。1933年8月17日，喷气推进研究组成功发射了苏联第一枚混合燃料火箭GIRD-09，其采用液氧/凝固汽油作为推进剂，由苏联火箭学家米哈伊尔·吉洪拉沃夫所设计。同年11月，苏联第一枚真正的液体火箭GIRD-X进行了试验飞行，采用液氧/酒精作为推进剂。1933年9月，气体动力学实验室与喷气推进研究组合并为喷气科学研究所（缩写为RNII）。两个部门继续进行着液体火箭的研制。
为提高液体火箭发动机的研发能力，苏联政府又新成立了一批液体火箭发动机设计局。OKB-456，亦即现在的动力机械科研生产联合体，是苏联在二战后为复原德国V-2火箭技术而成立的一个设计局，由格鲁什科领导，负责发动机研究。其基于V-2火箭的发动机技术，为苏联版的V-2火箭——R-1导弹研发了RD-100火箭发动机。该设计局为世界上第一枚洲际弹道导弹R-7设计了RD-107和RD-108火箭发动机。RD-107和RD-108发动机在1957年被用于发射世界上第一颗人造卫星卫星一号的卫星号运载火箭，在1961年被用于执行历史上首次载人航天任务的东方号运载火箭，此外还被用于上升号、闪电号、联盟号等系列运载火箭。动力机械科研生产联合体在20世纪60年代设计的RD-253火箭发动机以四氧化二氮/偏二甲肼为推进剂，采用分级燃烧循环，是推力最大的采用可贮存推进剂的单室液体火箭发动机，被用于质子号运载火箭的第一级。20世纪70-80年代，动力机械科研生产联合体研发了用于天顶号运载火箭的RD-120和RD-170/RD-171火箭发动机。RD-170/RD-171发动机具有重要历史意义，是世界上推力最大的液体火箭发动机，真空推力可达1,770,000磅力，共有四个推力室，使用液氧/煤油，被用于能源号运载火箭的助推级和天顶号运载火箭的第一级。20世纪90年代，动力机械科研生产联合体在RD-170发动机的基础上研发了用于美国宇宙神3号和5号的RD-180火箭发动机和用于安加拉系列运载火箭的RD-191火箭发动机。此外，动力机械科研生产联合体还在20世纪80年代末开始研发三组元双模式的RD-701和RD-704火箭发动机，即发动机先以液氧/煤油/液氢为推进剂产生较大推力在低空飞行，在高空时则使用液氧/液氢作为推进剂。
化工自动化设计局在20世纪50年代开始从事液体火箭发动机研究，主要研制用于火箭上面级的发动机。该设计局研发了用于东方号运载火箭第二级的RD-0109火箭发动机，用于闪电号和联盟号系列运载火箭第二级的RD-0110火箭发动机，用于质子号运载火箭第二级的RD-0210和RD-0211火箭发动机以及用于质子号第三级的RD-0212火箭发动机。其也为苏联的地对空导弹设计过RD-0200火箭发动机。化工自动化设计局在20世纪70-80年代研发的RD-0120火箭发动机是苏联主要的氢氧火箭发动机，采用富氧分级燃烧循环，被用于能源号运载火箭的芯级。另外，其还为R-29RM “轻舟”潜射弹道导弹的第一级设计了RD-0243火箭发动机。20世纪90年代，化工自动化设计局在RD-0120发动机的基础上研发了三组元双模式的RD-0750火箭发动机，还试验了采用膨胀循环和膨胀-偏转喷管的氢氧火箭发动机RD-0126。
化工机械设计局自20世纪60年代末起研制了一系列用于航天器飞行控制的小推力脉冲火箭发动机。其也研制了许多用于航天器机动的液体火箭发动机，如轨道机动发动机、制动发动机、着陆器上升级和下降级发动机。化工机械设计局还研发了用于潜射弹道导弹的液体火箭发动机，并且在20世纪50年代为战术弹道导弹设计过液体火箭发动机。
此外，库兹涅佐夫设计局在20世纪60-70年代为用于苏联登月计划的N1运载火箭设计了NK-33和NK-43火箭发动机，以液氧/煤油为推进剂，采用分级燃烧循环。

其他国家

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）、日本和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。

分类

液体火箭发动机有多种分类方法。按发动机用途，可将其分为用于发射有效载荷的主推进和用于轨道修正和姿态控制的辅助推进；按推力大小，可分为大推力、中等推力和小推力发动机；按推进剂组元数量，可分为单组元、双组元和三组元液体火箭发动机；按推进剂供应系统类型，可分为挤压式和泵压式液体火箭发动机；按工况特点，可分为连续工作式和脉冲工作式发动机，或者一次启动和多次启动发动机，或者固定推力、小范围推力调节、中等范围推力调节和大范围推力调节发动机。

基本组成

液体火箭发动机主要由推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统等组成。

推力室

推力室是将推进剂的化学能转化为喷气动能的组件。它主要由喷注器、燃烧室和喷管组成，采用非自燃推进剂的推力室还有点火装置。液体推进剂由喷注器喷入燃烧室，经雾化、蒸发、混合和燃烧生成高温高压气态产物，再通过喷管膨胀加速。

燃烧室

燃烧室是推进剂雾化、蒸发、混合和燃烧的容腔，承受高温燃气压力。其头部装有喷注器，末端与喷管连为一体。燃烧室主要的结构形式有球形、圆筒形和环形，其中圆筒形应用最为广泛。

喷管

喷管使高温燃气膨胀和加速，产生高速射流。其通常为拉伐尔喷管，由收敛段、喉部和扩张段三部分组成。按照喷管型面的不同，喷管可分为锥形喷管、钟形喷管、塞式喷管和膨胀偏流喷管等。

推进剂供应系统

推进剂供应系统是在液体火箭发动机工作时将贮箱中的推进剂按照要求的压力和流量输送到推力室中的系统，一般可分为挤压式供应系统和泵压式供应系统。

泵压式供应系统

泵压式供应系统是利用高速旋转的泵将推进剂组元增压后输送至推力室。泵压式供应系统主要由推进剂泵、涡轮、涡轮动力源、调节器、阀门和管路等组成。泵由涡轮驱动，二者组成涡轮泵。泵与涡轮之间的传动布局有：将燃料泵、氧化剂泵和涡轮安置在同一根传动轴上直接传动，涡轮居中或者偏置，即为单转子方案；也可以在它们的轴之间设置齿轮变速箱进行传动，即为多转子方案。液体火箭发动机最常用的泵为离心泵，采用的涡轮有冲击式涡轮和反力式涡轮。
泵压式液体火箭发动机的动力循环描述了推进剂在发动机主要组件中的具体流动路径、驱动涡轮的工质供应方法及涡轮工质的排气处理方式。按照涡轮工质的排放方式，可将动力循环分为开式循环和闭式循环。开式循环是将经涡轮工作后的工质直接从涡轮排气喷管排出或者排到推力室喷管扩张段内，未利用工质剩余能量；闭式循环是经涡轮工作后的工质最后都注入燃烧室燃烧以最大程度利用其能量。泵压式供应系统又可按涡轮工质的来源分类，最常见的有燃气发生器循环、膨胀循环和分级燃烧循环等。

燃气发生器循环

燃气发生器循环属于开式循环，涡轮工质来自燃气发生器。其使用的推进剂可由单独的贮箱供应，亦可从推进剂组元供应系统中抽取。燃气发生器的混合比通常是富燃或富氧的，这样燃气温度不会过高导致涡轮叶片不能承受。燃气驱动涡轮后通过涡轮排气喷管排出发动机，使发动机产生了一个额外的小推力，故推力室本身的推力略低于发动机的总推力。由于涡轮排气的能量未充分被利用，因此推力室本身的比冲略高于发动机的比冲，采用燃气发生器循环的发动机的比冲一般也低于闭式循环发动机的比冲。燃气发生器循环结构相对比较简单，技术成熟，被V-2火箭的发动机以及F-1、J-2、RS-68等许多液体火箭发动机所采用。

膨胀循环

膨胀循环属于闭式循环，是将用作推力室冷却剂的液体燃料流经推力室冷却夹套吸热汽化后作为驱动涡轮的工质，从涡轮排出后再注入燃烧室，与氧化剂混合并燃烧。由于推力室冷却夹套的加热量有限，因此涡轮工质的做功能力有限，从而限制了燃烧室压力的提高。膨胀循环的主要优点是发动机比冲较高、结构简单、质量较小。膨胀循环适用于氢氧发动机，如RL10火箭发动机。

分级燃烧循环

分级燃烧循环也称补燃循环，属于闭式循环，是将一种推进剂组元的全部流量和另一种推进剂组元的部分或全部流量输送至预燃室内燃烧，以产生的低温燃气来驱动涡轮，从涡轮排出的燃气再被注入燃烧室中进行补充燃烧。将两种推进剂组元的全部流量输送到预燃室内进行燃烧的循环称为全流量分级燃烧循环。通常，液氧/液氢推进剂选用富燃预燃室，液氧/煤油推进剂选用富氧预燃室，而全流量分级燃烧循环则一定为富氧和富燃双预燃室。分级燃烧循环的涡轮工质流量较大，做功能力强，因而容许采用很高的燃烧室压力。这种循环的发动机的比冲更高，但发动机结构较复杂、质量更重。分级燃烧循环在大推力液体火箭发动机中得到广泛应用，如使用富燃预燃室的航天飞机主发动机、RD-0120火箭发动机以及使用富氧预燃室的RD-120、RD-170火箭发动机。

控制系统

液体火箭发动机的启动、操控和关机等各个工作阶段的控制由发动机控制系统来完成。液体火箭发动机的基本控制系统包括发动机启动和关机控制系统、发动机主级控制系统、贮箱增压控制系统、发动机推力大小控制系统和推力矢量控制系统等。在现代液体火箭发动机中，计算元件、微处理器及计算机控制器与各类阀门和调节器、测量发动机系统各参数的传感器和测量仪表以及电路系统等共同构成发动机控制系统。安装在输送管道上的各种阀门和调节器通过接受从控制器发出的指令信号，在电、液压或气动等能源的驱动下，对发动机的工作过程以及推力、推进剂混合比等工作参数实现控制和调节。液体火箭发动机上使用的阀门有两类：一类是用来控制发动机工作过程的阀门，如启动阀、加注阀、泄出阀、充气阀、断流阀、隔离阀、单向阀和卸压阀等；另一类为诸如减压器、压力调节器、气蚀文氏管和节流圈等这些用来调节发动机主要性能参数的阀门，即调节器或调节阀。

液体推进剂

液体火箭推进剂，简称液体推进剂，是为液体火箭发动机提供能源和工质的液态化学物质，是影响发动机及火箭性能的重要因素之一。它可以是单质、化合物，也可以是混合物。液体推进剂通过在燃烧室进行氧化反应或分解反应，将化学能转化为热能，生成高温高压气体产物，再通过喷管膨胀加速，将热能转化为动能。

分类

液体推进剂的分类方式有：按推进剂组元数，可分为单组元推进剂、双组元推进剂和三组元推进剂；按推进剂贮存性能，可分为可贮存推进剂（如煤油、硝酸等）和低温推进剂（如液氢、液氧）；按氧化剂与燃料直接接触时的化学反应能力，分为自燃推进剂和非自燃推进剂。

常用的液体推进剂

大多数液体火箭发动机使用的是双组元推进剂。常用的双组元液体推进剂有三类：①液氧/液氢推进剂组合，无毒推进剂组合中比冲最高的，主要用于运载火箭上面级和某些助推级；②液氧/烃类（如煤油、汽油、酒精等）推进剂组合，平均密度较高，可使火箭结构做得较紧凑，常用于运载火箭助推级和某些第二级；③可贮存推进剂组合，包括硝酸/烃类、四氧化二氮/偏二甲肼、四氧化二氮/混肼50以及四氧化二氮/一甲基肼等组合，可长期贮存，没有低温推进剂的发射准备时间长和处理复杂等问题，用于弹道导弹第一、二级大型发动机以及几乎所有使用双组元推进剂的反作用控制小推力火箭发动机。
单组元推进剂必须具有化学稳定性和热稳定性，并且还必须容易分解和反应。最常用的单组元推进剂是肼，被广泛用于卫星和其他航天器的姿态和轨道控制小推力火箭发动机。肼的分解产物包括氨气、氮气和氢气，催化剂可采用铱、铁、镍和钴等。