液体火箭发动机喷管扩张比的选择

伍赛特

液体火箭发动机喷管扩张比的选择与燃烧室压力和发动机工作高度有关。运载火箭的第一、第二和第三级发动机的工作高度一般是随着时间的变化而变化，因此喷管只是在某一时刻（某一高度）达到计算工况。

对于助推级的推力室喷管扩张比，主要是根据发动机工作高度和喷管冷却等问题来选择出囗压力和确定喷管扩张比。--般情况下，运载火箭第一级发动机（或助推发动机）在地面起飞时，喷管处于过膨胀状态，随着飞行高度的增加，喷管先是达到计算工况，然后进入欠膨胀状态。换言之，第一级发动机的喷管出口燃气压力小于地面大气压力，例如，CZ-2E火箭第一级发动机推力室喷管出口压力为0.067 MPa。

由于外界环境压力相对较高，第一级和助推级的推力室喷管扩张比不大，例如，美国“土星”5号火箭第一级F-1发动机的喷管扩张比为16，苏联“东方”运载火箭助推发动机RD-107的喷管扩张比为17。采用补燃循环方式、具有高燃烧室压力的发动机的喷管扩张比可以更大一些，例如，苏联的RD-170发动机喷管扩张比为36.4，RD-253发动机喷管扩张比为26。

对于高空工作的发动机外界环境压力低，增加喷管扩张比可提高推力室的理论比冲，但会增加推力室的外廓尺寸、结构质量和喷管的气流摩擦损失，因此需要综合考虑提高理论比冲和由此带来的不利影响。

第二、三级发动机推力室喷管扩张比由于受外廓尺寸和结构质量的限制，扩张比通常为40～80。例如，CZ-4A运载火箭第三级发动机YF-40的喷管扩张比为50， Ariane-1火箭第三级发动机HM-7的喷管扩张比为63.5。

对于上面级和空间发动机，工作环境为真空，为了得到更高的比冲，扩张比可以更大些。

参考文献

[1] 李家文，田爱梅，张黎辉. 液体火箭发动机设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2011.09:36-37.

[2] 伍赛特. 航空航天专业名词科普：喷管膨胀比、喷管扩张比、喷管收敛比[OL].

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