2004 年10 月

JOURNAL OF ROCKET PROPULSION

Oct.2004

直流式喷注器设计

孙宏明

（陕西动力机械设计研究所，陕西西安 710100 ）

摘 要： 参阅国外文献并利用国内研究试验结果，论述了直流式喷注器的基本型式，给出 了设计方法，包括喷嘴排列设计 、 排列计算 。 从喷注器设计的角度出发，提出了解决燃烧性能 、 燃烧不稳定性和冷却问题的途径；叙述了喷注器的制造工艺过程及加工方法 。

关键词： 直流式喷注器；结构型式；排列设计；制造工艺 中图分类号：V432 文献标识码：A 文章编号：(2004)05-0001-09

Design of Orifice Injector

Sun Hongming

（Shaanxi Engine Design Institute, Xi’an 710100, China）

Abstract ：General orifice injector structures are documented through basic study of foreign references and domestic development results. Design approaches including orifice arrangement, design calculations are presented. The resolutions for combustion performance, combustion instability and cooling are given in the aspect of injector design. Manufacturing processes of the injectors are also mentioned briefly.

Key words ：orifice injector; structure; orifice arrangement design; manufacturing process

1 引言

液体火箭发动机的研制有很多关键技术要突 破，以求达到性能高、稳定性好和工作可靠。推 力室组织燃烧和产生推力，是液体火箭发动机的 核心部件，其研制是液体火箭发动机首先要完成 的技术工作。

推力室由燃烧室和喷管两部分组成。燃烧室 的性能 燃烧稳定性和可靠冷却与喷注器的设计

有着极为密切的关系。因而，从液体火箭发动机 研制的一开始，就十分重视喷注器设计技术，也 可以说，喷注器的方案选择和结构设计是液体火 箭发动机研制首先应突破的关键技术。美国 F-1 发动机在研制初期，为选择性能优良的喷注器进 行了 2000 多次燃烧试验。

喷注器的主要组成部分是喷嘴或喷注元件。 由于液体火箭发动机也是一种热机，其喷嘴或喷 注元件与早期的活塞式发动机和航空发动机所用 的喷嘴原理是相同的 作为喷嘴喷雾的研究 可

收稿日期：2004-05-10；修回日期：2004-05-21。

作者简介：孙宏明（1936—），研究员，研究领域为液体火箭发动机设计。

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以追溯到很早的年代。1946 年，在美国 ARS 杂志 上就有直流式喷嘴流动和喷雾的仔细研究报道。 由于活塞式发动机和航空发动机的耗油量都很 小，只要求喷嘴喷雾细微就可以了，主要是采用 简单直流式或离心式喷嘴。液体火箭发动机，尤 其是大推力发动机，推进剂流量很大，不仅要求 雾化细微，燃烧性能高，而且要求燃烧稳定性好， 还要组织推力室的可靠冷却，因而喷嘴的设计要 求大大不同于活塞式发动机和航空发动机。关于 喷嘴的研究，一般分为流动特性研究和喷雾特性 研究。前者研究流体流经喷嘴时的流态变化过程、 流动稳定性和流量系数的大小以及质量和混合比 分布，后者研究喷雾细微的程度、喷雾锥角的大 小、液滴尺寸及分布、射流破裂长度等问题。前 苏联和美国等国家对于喷嘴的流动过程和喷雾问 题都作了大量、实用的研究，并将这些研究成果 用于液体火箭发动机设计，研制出了各种类型发 动机。

液体火箭发动机喷注器有各种各样的结构形 式。按照传统的分类，因所用喷注单元的不同， 可以分为离心式喷注器、直流式喷注器、混合型 喷注器。早期的设计，多采用简单的喷注形式， 如莲蓬头式、单组元离心式喷嘴。如德国 V-2 发 动机燃烧室喷注器为典型的混合型，梨形头部有 18 个预燃室，每个预燃室为斗形，侧壁上装有 44 个离心式燃料喷嘴，中央装有一个由直流式喷嘴 组成的液氧喷雾器。后来的发动机推力室基本上 是以苏、美为代表分为两派。苏联多采用离心式 喷注器结构，如自 RD-107 以来的液氧/煤油发动 机；美国则采用直流式喷注器结构，如“雷神” 以后的一批液氧/煤油发动机，包括巨型火箭“土 星 V”发动机 F-1。

随着历史的发展，要求研制高性能发动机，单 个发动机推力增大，而结构尺寸和质量要求很小， 这样不得不缩小推力室尺寸。如 RD-170、RD-0120 和 SSME 等发动机必需采用双组元喷嘴才能通过 很大的流强。这就出现了由双组元内混合同轴离心 式喷嘴组成的先进喷注器。内混合室的深度选择以 对燃烧稳定性有利为原则。用长喷嘴组成分区，起 到隔板的作用。对于小发动机，则设计了层板喷注 器 层板喷注器是将很薄的不锈钢板片 用光刻的

方法刻蚀出不同形状的流动通道和孔，再将多片叠 加形成特殊的喷嘴喷雾形式。直到今天，各航天

国家都从未停止过对喷注

器的研究工作。如美国的 TRW 公司研制的低成本 液氧/液氢发动机，推力为 2886kN, 采用了特殊形 式的针栓式喷注器，中心液氧喷嘴为一直径约 300mm 的圆柱带端部针状阀，液氢则采用围绕液 氧圆柱体的大型环形喷嘴。TRW 公司研制的微型 发动机喷注器则是在很小的面积上制造出无数的 喷嘴孔。这一大一小，充分显示了喷注器的形式 是不拘一格的。总之，未来先进喷注器发展必需 突破传统的观念，切切不可墨守成规。

中国研制的发动机，喷注器设计充分借鉴了 国外经验，尤其是美、苏的经验，采用了离心式、 直流式，也有混合形式。新型发动机将采用先进 的双组元同轴离心式内混合喷嘴，小发动机则研 制了层板喷注器。艺无止境，可以预见，中国也 必将研制出更为新型的喷注器形式，以适应未来 航天事业的发展。

本文只讨论有关直流式喷注器的有关问题

2 直流式喷注器设计

直流式喷注器是由直流式喷嘴为喷注单元组 成的喷注器。这种喷注器广泛用于各种推力的发 动机，如美国的“三神（雷神、宇宙神、大力神）”、“F1”、“H-1”以及“兰光”等运载火箭所用的大型液氧/ 煤油发动机都采用了直流式喷注器。我国的大、 中、小推力发动机也采用了直流式喷注器。

根据推力的大小和其它特殊要求，喷注器结

构有各种不同形式。

2.1 喷注器结构

2.1.1 整体式

所谓整体式是指喷注器组件是由一块金属加 工而成，即氧化剂、燃料进口通道和喷嘴都加工 在一个零件上。很显然，这种喷注器适用于较小 推力的发动机。整体式喷注器可有各种不同的结 构形式，典型的结构如图 1 所示。

2.1.2 组合式

组合式喷注器，也有多种形式。可以用特型 的管子拼焊而成，在喷注面开孔。层板喷注器也

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是组合喷注器的一种。但对于大型发动机，基本 上都采用了盘环式结构。盘环式喷注器也有正面 开槽式和背面开槽式两种。

这种型式喷注器曾用于英国“兰光”发动机 RZ-2， 但最为典型的是美国 F-1^{发动机喷注器，如图} 2 所示。

2.1.2.1 正面开槽式

图 1 整体式直流喷注器

Fig.1 Integrated orifice injector

图 2 F-1 发动机正面开槽式直流喷注器

Fig.2 Orifice injector with slots on the front surface for F-1 engine

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F-1 发动机采用液氧/煤油为推进剂，地面推 力高达 680（t 6770kN），采用了大型直流式喷注器。 燃烧室直径为 1000mm，喷注器为典型的燃料和氧 化剂环槽交替排列的盘环结构形式，有 10 个燃料 环和 9 个氧化剂环。采用了二周 12 径隔板，将喷 注器面分为 13 个区。再生冷却推力室的煤油，经 集合器进入 32 个径向通道，再由轴向孔进入喷嘴 环槽并从喷嘴喷入燃烧室；氧化剂从顶盖上的入 口进入集合器，再由轴向孔进入喷嘴环槽，经喷 嘴喷入燃烧室。

F-1 发动机质量流量为：燃料 797kg/s、氧化 剂 1808kg/s；推力室质量流量为：燃料 742kg/s、 氧化剂 1784kg/s。在直径为 100cm 的燃烧室喷注 面上流过这么多的流量，流量强度是很大的，约 为 0.2526kg/(s·cm² )。单个直流式喷嘴的孔径最大 为 7.137mm。

为选择喷注器花了两年多时间，对 15 种喷注 器和 14 种隔板方案，通过 2000 多次的燃烧试验， 进行了研究，选择了燃烧性能和稳定性好，能可 靠冷却推力室的喷注器。F-1 发动机参加 13 次“土 星 V”运载火箭的飞行试验，取得全部成功。其 研制经验理所当然地载入了航天运载器发展的史 册。

我国长征 系列大发动机参考了“兰光 ”、 “F-1”及“H-1”发动机的结构也设计为盘环结构形 式。 这种喷注器具有非常好的工艺性和结构可靠 性。由于推进剂两组元在结构上就保证了是绝对 隔开的，不会有串腔的可能，这样就避免了很多 工艺上的麻烦。其缺点是相邻两环上的撞击喷嘴 的对应关系不严格，不易设计特殊的喷嘴形式， 如互击式喷嘴。另外，安装环的过程中喷嘴孔有 变形，会影响喷雾质量。

推进剂组元的进入方式一般设计为再生冷却 剂组元从喷注器侧向进入，而另一组元从顶部进 入。入口通道的设计原则是保证各喷嘴环喷前压 力的一致性。由于排列计算时喷前压力为一定值， 如果喷前压力沿径向有变化，将影响到排列设计 时流量或混合比分布的准确性。所以，设计为前

底面是齐平的。

另一组元进入的通道，设计原则是在不影响 结构强度的前提下，通道面积尽可能大，即流阻 损失尽量小。这样也可使结构质量大大减轻。因 而，沿氧化剂环槽设计了各种弧形孔。

喷嘴环用板材作毛坯，加工至要求厚度、连 接尺寸和表面光度并钻孔后，切割成内外径尺寸 符合要求的环。

喷注器盘与喷嘴环的连接，采用在环的内外 侧加钎焊料，装配好后钎焊的工艺方法。为了提 高连接强度，在喷注器盘的连接凸台处留有一定 可供铆接的材料余量，用气锤将凸台处铆压至喷 注器面基本齐平，最后一环外侧的连接是在喷注 器盘上留有一个小边，用滚轮滚压小边，即可将 喷嘴环可靠连接。

2.1.2.2 背面开槽式一般较小推力发动机推力室 可采用背面开槽

式喷注器。这种喷注器的特点是整板式喷注面， 易于组织互击式喷注单元。当采用自击式喷注单 元时，相临两排撞击对可以保证严格的对应关系。 这种结构型式，也为曲面喷注器所采用。

这种喷注器为了将两推进剂腔隔开，采用了 “十字”形肋板，将喷注器背面等分为四个区， 在燃料腔用环形隔条将氧化剂环堵死，而在氧化 剂腔将燃料环堵死。

其优缺点与整体式几乎恰恰相反。由于在背 面开槽，从正面（出口）加工孔后，其进口边毛 刺很难去除，更不能像盘环结构那样，在进口加 工倒角。另外，推进剂两组元的进口腔道要靠多 个环的焊缝隔开，这就存在一个可靠密封的问题。

2.1.3 曲面喷注器

曲面喷注器系指非平面喷注器，并不是一个 新概念。早在第二次世界大战期间，德国的 A-4 发动机燃烧室就采用了梨型头部，没有发现燃烧 不稳定性现象，甚至因此阻碍了对燃烧不稳定性 问题的认识。由于这种喷注器结构很复杂，当平 面喷注器也可以满足要求时 自然就采用了平面

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统，但是，当人们对燃烧不稳定性问题有了认识， 或者遇到了不稳定燃烧的挫折后，才又对曲面喷 注器产生了兴趣，并广泛应用起来。“大力神 2”、“大 力神 3”和“双子星座”发动机都采用了曲面 喷注 器，代表着美国当时的发展趋势。LR-99 发动机最 初采用平面喷注器遇到了不稳定燃烧问题，因而 又改为半球形喷注器使问题得到了解决，发动机 可以起动上百次，总工作时间达到 1 小时。

2.1.3.1 曲面喷注器的优点

(1) 曲面喷注器有较好的燃烧稳定性根据不 稳定燃烧激发机理，必须具备两方面

条件：即有压力扰动源存在和这种扰动传播与加 强的时间和空间条件。曲面喷注器因其特殊的型 面，可以允许采用平面流强分布，这样就有可能 消除因沿径向质量分布不均匀而造成压力不均 匀，从而产生压力扰乱的可能。这叫做断其源。 由于喷嘴（或部分喷嘴）分布于曲面，且为平面 流强分布，火焰前锋自然也是曲面状的、参差不 齐的，造成了压力敏感介质不连续，对于径向传 播的压力扰动得不到能量补充，这叫做无助力。 曲面喷注器对纵向或横向压力波都有很好的耗散 作用。在某种意义上讲，有隔板的作用可有效的 阻尼压力波的传播，这叫做有阻力。由此可见， 曲面喷注器比平面喷注器在防止燃烧不稳定性方 面有着先天的优越性。

(2) 曲面喷注器有利于提高燃烧效率曲面喷 注器可以采用整体喷注面结构。由于

避免了盘环连接所占面积，以及曲面又增加了喷 注面积，提供了多安排环数和多排列喷嘴的可能。 实际排列结果表明，当燃烧室直径为 400mm 时， 曲面喷注器可以安排 19 环和排列约 3500 多个喷 嘴，而平面喷注器只能安排 15 环和排列约 2300 多个喷嘴；整体喷注面易于实现多种喷嘴型式， 如自击式、互击式、多击式；整体结构避免了在 环上加工喷嘴撞击对的误差，从而提高撞击精度； 整体喷注面可以保证相临异类撞击对对应精度； 整体结构还避免了因铆接盘环而对喷嘴造成威 胁。如果在占绝大部分喷嘴的曲面部分，喷嘴撞 击对是垂直于曲面，那么，就可以减小轴向速度 分量，相当于减少了初速度，增加了气化长度，

一定深度，相当于增加了燃烧室长度。所有这些， 都有利于燃烧效率的提高。

(3) 曲面喷注器易于解决隔板强度问题采用 曲面喷注器以后，由于其对横向和纵向不 稳定振型都有很好的耗散作用，有可能不用隔板即 可达到稳定燃烧，如“大力神 2”第二级发动机。当

采用隔板时，曲面喷注器也表现出显著的优 点。相对平面喷注器而言，隔板可以短一些。据

文献报道，应用混肼 50/N2O4 为推进剂的燃烧 室，采用平面喷注器时，隔板的最大冷却长度为 127mm，而对于曲面喷注器，文献也指出，当单 元推力为 90.7kg 时，应用再生冷却隔板的长度为 50mm，应用端头喷射混合冷却隔板时，长度仅为 43.5mm 即可达到动力稳定。这就是说，隔板可以 短一些。短隔板在同样压力载荷下，受力要小的 多，既结构强度易于保证。曲面喷注器由于较高 的燃烧性能，给采用混合冷却隔板提供了可能。 或者说虽然混合冷却隔板损失一些性能也是可以 允许的。混合冷却隔板具有结构简单工作可靠的 特点。国外文献指出，混合冷却隔板一般不增加 泵的负荷，因而常被采用。

• (4) 工艺性较好曲面喷注器消除了铣加工工 序及钎焊工序，

大大简化了工艺。工艺上也有一些缺点，由于 是整体结构，孔

的进口去毛刺就比较困难，如有个别孔加工错误， 修补也比较困难。但是，这些问题是可以解决的， 都不能成为选择曲面喷注器的障碍。

• 2.1.3.2 曲面喷注器结构选择曲面喷注器结构选

择主要指型面、曲率、曲

• 面深度和具体结构等的选择和设计问题。 (1) 型 面选择曲面型面一般有球面、锥面、碟型以 及混合

型面等。图 3 为这几种型面示意图。球面有一个 曲率问题，一般当燃烧室直径和

曲面深度确定后，曲率也自然确定了。如燃烧室 直径为 400mm，曲面深度确定为 70mm，则曲面 曲率为 300mm。球面具有很好的防振性能，从声