氫氧火箭發動機及其低温技術

《氫氧火箭發動機及其低温技術》一書是20世紀90年代初撰寫的，主要總結了我國第一代氫氧火箭發動機研製的技術經驗，側重氫氧火箭發動機的超低温技術特點和關鍵技術攻關。該書對早期研製過程中遇到的高速旋轉軸的次同步共振、超低温高速滾珠軸承冷卻、低温兩相流氫排放的靜電積累等問題進行了詳細介紹；對這些問題的及時總結，為後續型號研製提供了參考。該書自1995年出版以來，在高等院校，火箭發動機設計、生產和試驗部門，以及航天發射場等得到了廣泛的應用與參考。

隨着我國新一代火箭發動機的研製發展，特別是發動機推力的增大，燃燒壓力的大幅度提高，發動機出現了許多新問題，諸如發動機振盪燃燒和不穩定燃燒等問題，都需要及時總結。同時，火箭發動機的重複使用、降低發動機的設計、生產、試驗和發射成本等，成為迫切需要解決的問題。為此，在第一版《氫氧火箭發動機及其低温技術》的基礎上進行了修訂，減少了一般的結構介紹內容，增加了一些基礎理論和通用技術性問題；同時，專門增加了發動機不穩定燃燒技術、低温閥門密封比壓設計等內容，並提供一些新的觀點，有利於設計的改進，大大提高了該書的現實參考價值。 ^[1] 

第1章概論

1.1氫——最清潔的高能化學燃料

1.2氫氧火箭發動機在航天領域佔有重要地位

1.3氫氧火箭發動機的發展動向

1.3.1徹底實現氫氧火箭發動機的重複使用

1.3.2降低天地往返運輸系統的發射成本

1.3.3發展三組元火箭發動機

1.3.4星際航行將會對氫氧火箭發動機提出更多的要求

第2章氫氧火箭發動機系統評述

2.1氫氧火箭發動機系統的特點

2.2燃氣發生器動力循環系統

2.3分級燃燒動力循環系統

2.4氫膨脹動力循環系統

2.4.1氫膨脹動力循環系統的工作原理

2.4.2全流量氫膨脹動力循環系統

2.4.3部分流量氫膨脹動力循環系統

2.5具有功率冗餘的高可靠火箭動力系統設計

2.5.1高可靠火箭動力系統設計

2.5.2動力系統的功率冗餘方案可靠性計算

第3章氫氧火箭發動機的總體設計

3.1總裝連接件的温度應力

3.2總裝連接件內的應力分析

3.2.1剪切應力下工作的螺紋擰緊力矩計算

3.2.2彎曲應力下工作的螺紋擰緊力矩計算

3.3低温發動機總體結構設計

3.3.1氫氧火箭發動機的結構絕熱問題

3.3.2總裝管路、活門等佈局設計

3.3.3氫氧火箭發動機的結構振動問題

3.4總裝密封件

3.4.1柔性石墨墊圈

3.4.2法蘭連接的密封件

3.4.3焊接連接

3.5氫氧火箭發動機的質量分析和估計

3.5.1氫氧推力室的質量分析和估計

3.5.2氫氧渦輪泵的質量估計

3.5.3發動機其他部件的質量估計

第4章氫氧火箭發動機的起動技術

4.1發動機起動前的系統吹除、置換和氣封

4.1.1系統吹除

4.1.2系統置換

4.1.3氣封

4.2起動前的預冷問題

4.2.1預冷的目的和要求

4.2.2氫氧火箭發動機預冷時間τ1的估算

4.2.3預冷系統的設計

4.3發動機起動技術方案的選擇

4.3.1外能源起動渦輪泵方案

4.3.2自身起動渦輪泵方案

4.4空中再起動技術

4.4.1火箭滑行中的推進劑管理

4.4.2再起動前的發動機預冷要求

4.5不預冷推力室的發動機起動技術

第5章氫氧推力室和燃氣發生器

5.1氫氧推力室的設計特點

5.2大推力高室壓氫氧噴注器工作穩定性問題

5.2.1超臨界壓力下液氧的熱物理特性變化影響噴注器不穩定工作的敏感性

5.2.2氧噴注器內單相流體的聲速計算

5.3氫氧推力室的冷卻和傳熱計算

5.3.1氫的對流換熱係數計算

5.3.2冷卻套內壓力損失的計算

5.3.3噴注器面板的發汗冷卻

5.3.4氫氧燃氣向壁的傳熱

5.4氫氧的點火技術

5.4.1電能點火器

5.4.2火藥點火器

5.4.3氣動力諧振點火器

5.5氫氧推力室的噴管

5.5.1大面積比噴管的設計要求

5.5.2大面積比噴管的冷卻

5.5.3氫氧芯級火箭上噴管設計的特點

5.6氫氧燃氣發生器

5.6.1氫氧燃氣發生器研製的經驗和教訓

5.6.2燃氣發生器與副系統耦合振盪燃燒問題

5.6.3關機程序和氧頭腔吹除殘留的氧

第6章氫氧渦輪泵

6.1液氫泵的設計技術

6.1.1泵的一般理論

6.1.2液氫泵設計的幾個特點

6.1.3泵的相似理論和比轉速

6.1.4泵的效率分析

6.2液氫泵的試驗技術

6.2.1液氫泵試驗中存在的問題

6.2.2液氫泵試驗的模擬介質研究

6.2.3液氫泵模擬介質試驗數據比較

6.2.4模擬介質試驗數據處理中應注意的問題

6.2.5關於多級液氫泵的特性試驗

6.3氫氧燃氣渦輪

6.3.1渦輪工質的熱力學參數選擇

6.3.2渦輪的氣動力參數計算

6.4渦輪轉子動力學的基本概念

6.4.1剛性軸和柔性軸

6.4.2轉子的進動

6.5低温高速滾珠軸承

6.5.1高速軸承工作的幾個重要參數

6.5.2液氫高速軸承的保持架問題

6.5.3液氫軸承的冷卻問題

6.5.4滾珠軸承的Dn值

6.5.5液氫軸承使用中的幾個特殊問題

6.6氫氧渦輪泵上的動密封

6.6.1氫氧渦輪泵動密封的特點

6.6.2端面動密封的工況分析

6.6.3非接觸式動密封

6.6.4組合式動密封

6.7超低温高速齒輪傳動

6.7.1超低温高速齒輪傳動的應用

6.7.2超低温高速齒輪的工作特點

第7章氫氧低温活門和自動器

7.1氫氧低温活門和自動器的一般介紹

7.2低温活門密封件設計的彈性力學基礎

7.2.1菌形活門密封比壓設計的彈性力學基礎

7.2.2球形活門密封比壓設計理論

7.2.3活門工作壽命的理論基礎

7.2.4影響活門密封件壽命的因素分析

7.2.5低温活門密封件工作壽命的評估

7.3低温活門上的波紋管設計

7.3.1波紋管的軸向剛度計算

7.3.2波紋管臨界失穩壓力的計算

7.4氦氣減壓器

7.4.1氦氣減壓器的用途

7.4.2減壓器的工作特性

7.4.3氦氣減壓器使用中應注意的問題

7.5低温流量控制器——汽蝕文氏管

7.5.1不可壓縮流體汽蝕文氏管的設計理論

7.5.2伯努利方程的建立

7.5.3幾點説明

7.5.4液氫汽蝕文氏管的設計

7.5.5高室壓大推力氫氧火箭發動機的流量控制問題

第8章氫的安全使用技術

8.1高壓氫氣瓶的泄漏危險

8.2氫的着火、爆燃和爆轟

8.3氫的安全排放技術

8.3.1氫氣流中的靜電積累

8.3.2氫排放系統中的着火事故分析

8.3.3氫的安全排放管路設計

8.3.4低温氫排放的幾個特殊問題

8.4氫的安全處理和防護

8.4.1液氫貯箱系統的吹洗和置換

8.4.2防護措施

第9章液氫輸送系統的絕熱問題

9.1液氫低温絕熱的一般介紹

9.1.1氫氧火箭上的液氫供應系統的低温絕熱問題

9.1.2地面試車台液氫供應系統的低温絕熱問題

9.2真空絕熱

9.3多層纏繞的真空超絕熱

9.4氫氧火箭發動機的絕熱問題

9.4.1絕熱的目的和任務

9.4.2泡沫塑料絕熱材料的性能要求

9.4.3熱固性聚氨酯硬質泡沫塑料絕熱

9.4.4熱塑性泡沫塑料絕熱方案

第10章液氫的生產、貯存和運輸

10.1液氫生產成本分析

10.2液氫生產能力的確定

10.2.1液氫用量分析和統計

10.2.2液氫生產能力的確定

10.3液氫生產工藝流程的優化

10.4液氫的長期貯存問題

10.4.1“電冰箱工作原理”用於解決液氫中短期貯存問題

10.4.2採用其他載體吸附氫的貯存問題

10.5液氫的運輸問題 ^[1] 

朱森元院士是我國著名的氫氧火箭發動機技術及大型運載火箭研製的學術權威，具有深厚的專業技術功底，領導了我國第一個氫氧火箭發動機型號的研製工作，對氫氧火箭發動機及其低温技術有深入的研究。

發表論文：

朱森元. HM-7氫氧發動機. 導彈與宇航，1978（3）.

朱森元. 大推力氫氧火箭發動機噴注器工作穩定性問題. 航天推進與動力，2011（6）.

朱森元. 航天推進與動力專刊：朱森元文集. 航天推進與動力， 2012 .

2016年2月，該作品入選國家新聞出版廣電總局“2016年度國家出版基金資助項目”。 ^[2]