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液體火箭發動機

液體推進劑火箭發動機（英語：liquid-propellant rocket engine，縮寫為LPRE），簡稱液體火箭發動機[1]:2或液態火箭發動機，是指採用液態的燃料和氧化劑作為能源和工質的火箭發動機。液體火箭發動機的基本組成包括推力室、推進劑供應系統和發動機控制系統等。液體推進劑貯存在推進劑貯箱（英語：Propellant tank）內，當發動機工作時推進劑在推進劑供應系統的作用下按照要求的壓力和流量輸送至燃燒室，經霧化、蒸發、混合和燃燒生成高溫高壓燃氣，再通過噴管加速至超聲速排出，從而產生推力。

正在進行點火測試的RS-68火箭發動機

液體火箭發動機使用的推進劑可以是一種液態化學物，即單組元推進劑，也可以是幾種液態化學物的組合，即雙組元推進劑及三組元推進劑，它們均具有較高的能量特性。常用的單組元推進劑是肼，主要用於小推力發動機。雙組元推進劑主要有液氧/液氫、液氧/烴類（煤油、汽油和酒精等）、硝酸/烴類、四氧化二氮/偏二甲肼等組合。

歷史上第一枚液體火箭是由美國火箭學家羅伯特·戈達德於1926年發射的。德國火箭專家馮·布勞恩的研究團隊在第二次世界大戰期間研製的V-2火箭極大地促進了大型液體火箭發動機的發展。二戰後，美國和蘇聯/俄羅斯等許多國家研製了大量的液體火箭發動機。液體火箭發動機作為最為成熟的火箭推進系統之一，具有較高的性能和許多獨特的優點，目前被廣泛應用於運載火箭、航天器以及導彈。液體火箭發動機還被用作部分飛機的推進動力。

歷史

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早期開創性成果

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康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基、羅伯特·戈達德和赫爾曼·奧伯特被公認為是現代火箭學之父[2][3][4]，他們在同一時期各自獨立進行着現代火箭的早期研究工作。

1903年，俄羅斯教師康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基發表了第一部提出利用火箭進行航天活動的著作《利用反作用力設施探索宇宙空間》（俄語：Исследование мировых пространств реактивными приборами）[5]。齊奧爾科夫斯基提出液體推進劑比固體推進劑能提供更多能量，認為液氧/液氫是用於航天飛行的最佳推進劑，並且給出包含燃燒室、噴管和推進劑貯箱等關鍵要素的液體火箭發動機的概念性草圖[6]。此外，他還推導出逃逸速度和火箭方程，提出多級火箭設想[2]。但齊奧爾科夫斯基並未實際建造和測試任何火箭[6]。

 
1926年美國教授羅伯特·戈達德試射首枚液體火箭

美國克拉克大學教授羅伯特·戈達德在1914年就申請了關於液體燃料火箭裝置的專利[3][7]，並且在1919年發表了關於火箭飛行的數學理論的著作《到達極高空的方法》（英語：A Method of Reaching Extreme Altitudes）[8]。在1921年至1925年期間，戈達德進行了液體火箭發動機地面靜態試驗[9]。1926年3月16日，戈達德在馬薩諸塞州的奧本成功發射了歷史上首枚液體燃料火箭[3][a]。這枚火箭採用液氧/汽油作為推進劑，僅飛行了41英尺高、185英尺遠，歷時2.5秒[9]。戈達德在液體火箭的研究上取得過很多開創性成果。但由於戈達德在世期間不願太多發表和透露他的液體火箭發動機的設計細節、試驗數據等有用信息，因此他的研究成果並未對美國的液體火箭發展產生太大影響[9]。

1923年，德國科學家赫爾曼·奧伯特發表了題為《飛向星際空間的火箭》（德語：Die Rakete zu den Planetenräumen）的著作，並且在1929年修訂了這本書，將其命名為《通向航天之路》（德語：Wege zur Raumschiffahrt）[10]:271。該書由於其重要的科學價值而得到國際上的認可。20世紀30年代，奧伯特建造並試驗了他的概念性的液體火箭發動機。他的第一枚火箭於1931年5月7日在德國柏林附近發射[4]。

德國（二戰時期）

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1927年，德國的一群業餘火箭研究者成立了太空旅行學會[10]:283，奧伯特也是其成員之一。

 
在美國國家航空航天博物館展出的V-2火箭發動機

20世紀30年代初，德國陸軍裝備部（英語：Heereswaffenamt）開始籌建官方的火箭研究組織。德國陸軍軍官瓦爾特·多恩伯格組建了由德國火箭專家韋恩赫爾·馮·布勞恩領導的火箭研究小組[11]。馮·布勞恩的研究團隊起初在柏林南郊的庫默斯多夫進行遠程火箭的研究，後來又搬至德軍在佩內明德新建的火箭研究基地繼續工作。他們相繼設計和測試了A-1、A-2、A-3和A-5等實驗火箭以及實用化的大型火箭A-4[11]。其發動機主要由德國火箭專家瓦爾特·蒂爾負責研製[10]:750。A-4火箭於1942年10月3日在佩內明德成功試射，並在1944更名為V-2火箭[11]，是第二次世界大戰中著名的彈道導彈。V-2火箭的發動機使用液氧/酒精作為推進劑，推力可達56,000磅力，採用薄膜冷卻和再生冷卻的方法對推力室進行冷卻，採用由高錳酸鈉催化過氧化氫分解生成的高溫氣流來驅動渦輪泵進行泵壓式增壓輸送推進劑[12][13]。1945年，二戰結束，馮·布勞恩和他的火箭團隊向美軍投降，相關技術報告和圖紙以及V-2火箭一起運送到美國[10]:752-753，而蘇聯也得到了V-2火箭的部件和設備[11]。V-2火箭具有極大的歷史意義，它對美國和蘇聯的大型液體火箭發動機的發展起到巨大的推動作用。

20世紀30年代後期，德國也對用於火箭動力飛機的液體火箭發動機進行研究。德國工程師赫爾穆特·瓦爾特（英語：Hellmuth Walter）的公司研製了這些液體火箭發動機[10]:754-762。1939年6月20日，世界上第一架單獨使用液體火箭發動機作為推進動力的飛機——He 176飛機（英語：Heinkel He 176）[b]試飛成功，採用的是瓦爾特設計的HWK R1發動機[14]。Me 163戰鬥機是德國在二戰中唯一服役的火箭動力戰鬥機，採用的是HWK 109-509發動機（英語：Walter HWK 109-509），使用C-Stoff[c]和T-Stoff[d]分別作為燃料和氧化劑[10]:757。

美國

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1930年，一群以科幻小說作家為主的愛好者成立了美國火箭學會（英語：American Rocket Society）（縮寫為ARS）[15][e]，隨後開展火箭的設計和實驗工作。

1936年，美國加州理工學院空氣動力學家西奧多·馮·卡門領導的古根海姆航空實驗室（英語：Guggenheim Aeronautical Laboratory）（縮寫為GALCIT）開始液體火箭相關研究工作，包括不同推進劑的性能研究以及推力室的設計和測試[9]。

自20世紀40年代起，多家美國公司陸續參與了液體火箭發動機的研製。反應發動機公司（英語：Reaction Motors）（縮寫為RMI）是美國第一家液體火箭發動機公司，是由美國火箭學會的四位成員於1941年成立的[15]。其設計的最有名的發動機是為貝爾X-1飛機設計的RMI 6000C-4火箭發動機（英語：Reaction Motors 6000C4），擁有四個推力室，總推力達6000磅力，採用液氧/酒精作為推進劑，還被用於道格拉斯D-558-2天空火箭（英語：Douglas D-558-2 Skyrocket）、北美X-15[9]。

噴氣飛機公司，由馮·卡門等人於1942年成立，是美國第二家研製火箭發動機的公司[9]。噴氣飛機公司為A-20轟炸機、B-29轟炸機、B-45轟炸機、B-47轟炸機等許多軍用飛機研製了一系列噴氣助推起飛（英語：JATO）液體火箭發動機[9]，還為波馬克導彈IM-99A設計過液體火箭助推器[16]。噴氣飛機公司設計的最成功的大型液體火箭發動機是分別用於大力神系列運載火箭的第一級和第二級的LR-87（英語：LR-87）和LR-91火箭發動機（英語：LR-91）。LR-87發動機為雙推力室，LR-91發動機為單推力室，它們最初使用液氧/煤油（RP-1）作為推進劑，後來改用四氧化二氮/混肼50（英語：Aerozine 50）[9]。

 
馮·布勞恩在美國太空和火箭中心與土星5號動態測試火箭（英語：Saturn V Dynamic Test Vehicle）第一級所用的F-1火箭發動機合影

洛克達因[f]是美國重要的液體火箭發動機製造商。其基於德國V-2火箭的發動機技術，為美國第一種彈道導彈——紅石導彈研製了A-6和A-7火箭發動機[g]，海平面推力可達78,000磅力[9]。紅石導彈的發動機在1958年被用於發射美國第一顆人造衛星探險者一號的朱諾1號運載火箭，在1961年被用於執行美國首次載人亞軌道太空飛行任務的水星-紅石運載火箭[9][17]。其在20世紀50年代分別為美國第一種洲際彈道導彈——宇宙神導彈以及朱庇特彈道導彈和雷神彈道導彈等設計了液體火箭發動機[9]。洛克達因的歷史性成就之一就是研發了用於發射阿波羅飛船以實現人類首次登月的土星5號運載火箭的F-1和J-2火箭發動機。F-1發動機是世界上推力最大的單推力室發動機，海平面推力達1,522,000磅力，採用液氧/煤油作為推進劑，被用於土星5號的第一級；J-2發動機是世界上第一個大推力氫氧火箭發動機，被用於第二級[9]。洛克達因的歷史性成就還包括為美國航天飛機設計的航天飛機主發動機（縮寫為SSME），亦即RS-25火箭發動機[18]。它使用液氧/液氫作為推進劑，是美國第一個採用分級燃燒循環的液體火箭發動機[9]。RS-68火箭發動機是洛克達因於20世紀90年代末在航天飛機主發動機的基礎上研發的低成本大推力液體發動機，通過採用中等燃燒室壓力、簡化發動機設計以達到降低成本的目的，被用於德爾塔4號運載火箭的公共助推核心[19]。

普惠公司在1957年決定進入液體火箭發動機領域。其最成功的液體火箭發動機就是RL10火箭發動機，於1963年首次成功飛行，是世界上第一個使用液氧/液氫作為推進劑以及第一個採用膨脹循環的火箭發動機[9]。RL10系列發動機主要被用於半人馬座火箭、土星1號運載火箭的S-IV級以及德爾塔3號和4號運載火箭的第二級等上面級[19][20]。

現隸屬於諾斯洛普·格魯門公司空間技術部的推進產品中心（Propulsion Products Center），原為TRW公司（英語：TRW Inc.）的部門，是美國最早研發以肼為推進劑的單組元液體火箭發動機的機構。其為航天器研製了許多單組元和雙組元液體火箭發動機，包括衛星姿態控制發動機、液體遠地點發動機（英語：Liquid Apogee Engine）以及阿波羅登月艙的下降級推進系統（英語：Descent Propulsion System）。[9]

成立於2002年的太空探索科技公司（SpaceX）為自家致力於可回收使用的獵鷹系列運載火箭研製了默林火箭發動機和紅隼火箭發動機[21][22]；為龍飛船研製了天龍座火箭發動機（英語：Draco (rocket engine)）和超級天龍座火箭發動機（英語：SuperDraco）[23]。SpaceX正在研發大推力的猛禽火箭發動機，使用液氧/液態甲烷作為推進劑，採用全流量分級燃燒循環[24]。

蘇聯和俄羅斯

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1924年，世界上第一個民間業餘火箭學會——星際旅行研究學會（英語：Society for Studies of Interplanetary Travel）在蘇聯成立[6]。它吸引了包括齊奧爾科夫斯基在內的眾多成員。

蘇聯政府自20世紀20年代起開始建立液體火箭研究部門。第一個機構是於1921年成立的噴射推進實驗室，並在1928年更名為氣體動力學實驗室（俄語：Газодинамическая лаборатория）（縮寫為GDL）[6]。蘇聯火箭專家瓦連京·格魯什科在1929年進入氣體動力學實驗室，負責液體火箭發動機研究[25]。格魯什科團隊研製了包括蘇聯第一個液體火箭發動機ORM-1在內的一系列ORM發動機，試驗研究了許多不同的推進劑，提出並實現了推進劑自燃點火，還對特型噴管進行了研究[6]。ORM­-65發動機是其研製的最成功的發動機之一，被用於RP­-318火箭動力滑翔機（英語：Korolyov RP-318）和212巡航導彈（英語：212 (missile)）[26][h]。

另一個火箭研究部門是成立於1931年的噴氣推進研究組（英語：Group for the Study of Reactive Motion）（縮寫為GIRD），由蘇聯火箭專家謝爾蓋·科羅廖夫擔任其領導[6]。噴氣推進研究組分為四個研究團隊，蘇聯航天學家弗里德里希·燦德爾負責其中的液體火箭發動機研究[27]:268。燦德爾設計並試驗了OR-1、OR-2等發動機[6]，還參與了GIRD-X火箭（俄語：ГИРД-X (ракета)）的設計[27]:269。1933年8月17日，噴氣推進研究組成功發射了蘇聯第一枚混合燃料火箭GIRD-09（俄語：ГИРД-09），其採用液氧/凝固汽油作為推進劑，由蘇聯火箭學家米哈伊爾·吉洪拉沃夫所設計[10]:546。同年11月，蘇聯第一枚真正的液體火箭GIRD-X進行了試驗飛行，採用液氧/酒精作為推進劑[27]:269。1933年9月，氣體動力學實驗室與噴氣推進研究組合併為噴氣科學研究所（英語：Reaction-Engine Scientific Research Institute）（縮寫為RNII）[27]:271。兩個部門繼續進行着液體火箭的研製。

 
聯盟號運載火箭的助推級採用四個RD-107發動機，第一級（芯級）採用RD-108發動機，其均擁有四個固定的推力室，同時RD-107另有兩個游動推力室（英語：Vernier thruster），RD-108則有四個游動推力室

為提高液體火箭發動機的研發能力，蘇聯政府又新成立了一批液體火箭發動機設計局。OKB-456，亦即現在的動力機械科研生產聯合體，是蘇聯在二戰後為復原德國V-2火箭技術而成立的一個設計局，由格魯什科領導，負責發動機研究[11]。其基於V-2火箭的發動機技術，為蘇聯版的V-2火箭——R-1導彈（英語：R-1 (missile)）研發了RD-100火箭發動機[26]。該設計局為世界上第一枚洲際彈道導彈R-7設計了RD-107和RD-108火箭發動機（英語：RD-108）[6]。RD-107和RD-108發動機在1957年被用於發射世界上第一顆人造衛星衛星一號的衛星號運載火箭，在1961年被用於執行歷史上首次載人航天任務的東方號運載火箭，此外還被用於上升號運載火箭、閃電號、聯盟號等系列運載火箭[6][28]。動力機械科研生產聯合體在20世紀60年代設計的RD-253火箭發動機以四氧化二氮/偏二甲肼為推進劑，採用分級燃燒循環，是推力最大的採用可貯存推進劑的單室液體火箭發動機，被用於質子號運載火箭的第一級[6][29]。20世紀70-80年代，動力機械科研生產聯合體研發了用於天頂號運載火箭的RD-120（英語：RD-120）和RD-170/RD-171火箭發動機。RD-170/RD-171發動機具有重要歷史意義，是世界上推力最大的液體火箭發動機，真空推力可達1,770,000磅力，共有四個推力室，使用液氧/煤油，被用於能源號運載火箭的助推級和天頂號運載火箭的第一級[6]。20世紀90年代，動力機械科研生產聯合體在RD-170發動機的基礎上研發了用於美國宇宙神3號和5號的RD-180火箭發動機和用於安加拉系列運載火箭的RD-191火箭發動機[26]。此外，動力機械科研生產聯合體還在20世紀80年代末開始研發三組元雙模式的RD-701（英語：RD-701）和RD-704火箭發動機（英語：RD-704），即發動機先以液氧/煤油/液氫為推進劑產生較大推力在低空飛行，在高空時則使用液氧/液氫作為推進劑[6]。

化工自動化設計局（英語：Chemical Automatics Design Bureau）在20世紀50年代開始從事液體火箭發動機研究，主要研製用於火箭上面級的發動機。該設計局研發了用於東方號運載火箭第二級的RD-0109火箭發動機（英語：RD-0109），用於閃電號和聯盟號系列運載火箭第二級的RD-0110火箭發動機（英語：RD-0110），用於質子號運載火箭第二級的RD-0210（英語：RD-0210）和RD-0211火箭發動機（英語：RD-0211）以及用於質子號第三級的RD-0212火箭發動機[6]。其也為蘇聯的地對空導彈設計過RD-0200火箭發動機[30]。化工自動化設計局在20世紀70-80年代研發的RD-0120火箭發動機是蘇聯主要的氫氧火箭發動機，採用富氧分級燃燒循環，被用於能源號運載火箭的芯級[6]。另外，其還為R-29RM 「輕舟」潛射彈道導彈（英語：R-29RM Shtil）的第一級設計了RD-0243火箭發動機（英語：RD-0243）[6]。20世紀90年代，化工自動化設計局在RD-0120發動機的基礎上研發了三組元雙模式的RD-0750火箭發動機[30]，還試驗了採用膨脹循環和膨脹-偏轉噴管（英語：Expansion deflection nozzle）的氫氧火箭發動機RD-0126[6]。

化工機械設計局（英語：A.M. Isayev Chemical Engineering Design Bureau）自20世紀60年代末起研製了一系列用於航天器飛行控制的小推力脈衝火箭發動機。其也研製了許多用於航天器機動的液體火箭發動機，如軌道機動發動機、制動發動機、着陸器上升級和下降級發動機。化工機械設計局還研發了用於潛射彈道導彈的液體火箭發動機，並且在20世紀50年代為戰術彈道導彈設計過液體火箭發動機。[6]

此外，庫茲涅佐夫設計局在20世紀60-70年代為用於蘇聯登月計劃的N1運載火箭設計了NK-33和NK-43火箭發動機，以液氧/煤油為推進劑，採用分級燃燒循環[6]。

其他國家

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包括中國、歐洲多國（如法國、德國、英國、意大利、挪威、比利時、荷蘭等）、日本和印度等國家也都成立了各自的液體火箭發動機研究機構和公司，研製和發射了許多液體火箭發動機。中國於20世紀60年代開始研製大推力液體火箭發動機，設計了YF系列火箭發動機，用於發射長征系列運載火箭。法國的斯奈克瑪公司在20世紀80年代末開始為阿麗亞娜5型運載火箭研發火神發動機並成功發射。日本在20世紀60-70年代從美國引進火箭技術，並從80年代起先後自主研發了LE-5火箭發動機和LE-7火箭發動機並發射了H-I和H-II運載火箭。印度在低溫火箭發動機也取得突破，成功研製了大推力氫氧發動機——CE-20火箭發動機。[10]

分類

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液體火箭發動機有多種分類方法。按發動機用途，可將其分為用於發射有效載荷的主推進和用於軌道修正和姿態控制（英語：Attitude control）的輔助推進；按推力大小，可分為大推力、中等推力和小推力發動機；按推進劑組元數量，可分為單組元、雙組元和三組元液體火箭發動機；按推進劑供應系統類型，可分為擠壓式和泵壓式液體火箭發動機；按工況特點，可分為連續工作式和脈衝工作式發動機，或者一次啟動和多次啟動發動機，或者固定推力、小範圍推力調節、中等範圍推力調節和大範圍推力調節發動機。[31]:5-8[32]:198

工作原理

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參見：火箭發動機 § 工作原理
 
火箭發動機推力產生原理示意圖。推力是作用在燃燒室和噴管上的力的合力，是燃燒產物高速噴射出所引起的反作用力

液體推進劑在壓力的作用下從貯箱經推進劑輸送管道進入燃燒室；推進劑在燃燒室發生霧化、蒸發、混合和燃燒，生成高溫高壓燃氣，將推進劑的化學能轉化為燃燒產物的熱能；燃氣流入先收縮再擴張的噴管，膨脹並加速至超聲速，將熱能轉化為動能；燃氣從噴管噴出，產生作用在發動機上的推力，將燃燒產物的動能轉變為火箭飛行器的動能[1]:14。 火箭發動機的推力產生可以由牛頓第三運動定律來描述，它主要是高壓燃燒產物高速噴射出所引起的反作用力。火箭發動機的推力等於噴氣反作用力與大氣壓強的合力之代數和，可近似地表示為：[1]:31

 

其中， 是噴管的質量流量， 是噴管排氣速度， 是噴管出口橫截面積，  是噴管出口氣體壓強，  是外界大氣壓強。

基本組成

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液體火箭發動機主要由推力室、推進劑供應系統和發動機控制系統等組成。

推力室

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推力室是將推進劑的化學能轉化為噴氣動能的組件。它主要由噴注器、燃燒室和噴管組成，採用非自燃推進劑的推力室還有點火裝置[1]:180。液體推進劑由噴注器噴入燃燒室，經霧化、蒸發、混合和燃燒生成高溫高壓氣態產物，再通過噴管膨脹加速。

噴注器

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噴注器將液體推進劑組元以一定的流量引入燃燒室，使其霧化並按一定比例相互混合。噴嘴是構成噴注器的最基本元件。噴嘴組成噴注單元，按照一定順序排列在噴注面上。噴嘴及噴注單元的主要結構形式有：

直流式
直流式噴嘴結構簡單，它是直接在噴注器面板上或者在鑲嵌於噴注器的零件上開的圓柱形直流孔[1]:195。直流式噴嘴組成的噴注單元主要有互擊式、自擊式、蓮蓬頭式以及濺板式。二股互擊式噴注單元由一個燃料射流和一個氧化劑射流互擊組成，霧化和混合效果較好；三股互擊式噴注單元由一種推進劑組元的軸向中心射流和另一種推進劑組元的二股對稱撞擊的外側射流互擊組成，形成對稱的霧化模式，具有良好的混合效果；二股自擊式噴注單元由一對燃料射流和一對氧化劑射流分別自擊組成，混合效果不如二股互擊式但能較好兼顧性能高和穩定性好兩方面的要求，被廣泛用於大推力發動機；蓮蓬頭式噴注單元將射流垂直於噴注面噴射出，互不撞擊，依靠湍流和擴散來混合，多用於室壁的燃料邊界層冷卻；濺板式噴注單元是採用將燃料和氧化劑射流與濺板撞擊的方式來霧化和混合推進劑，但其結構較複雜、工作穩定性差、對噴注面燒蝕嚴重，因此較少採用。[1]:217-218[33]:77-85
離心式
離心式噴嘴結構較複雜，通常由帶切向孔或渦流器的渦流室和噴口組成。液體從渦流室殼體上的切向進口孔或從渦流器上的端孔進入渦流室，沿壁面旋轉後由噴口噴出。離心式噴嘴可分為單組元（帶切向孔或渦流器）噴嘴和雙組元（內混合和外混合）噴嘴。[1]:196對於單組元離心式噴嘴，燃料噴嘴和氧化劑噴嘴需按照一定方式進行組合排列；對於雙組元離心式噴嘴，一個噴嘴就是一個獨立的噴注單元。
同軸式
同軸式噴嘴主要用於氫氧發動機。液氧以較低的速度從中心噴嘴噴出，從冷卻夾套吸熱並氣化後的氫從環繞中心噴嘴的環形通道以較高的速度噴出，利用速度差產生的剪切力使液氧霧化[32]:274。中心噴嘴可以為直流式，這種結構形式廣泛用於美國的氫氧發動機；也可以為離心式，被俄羅斯的氫氧發動機所採用[33]:80。對於同軸式噴嘴，一個噴嘴就是一個噴注單元。
單組元離心式噴嘴排列方案示意圖
（○—燃料噴嘴；●—氧化劑噴嘴）
 
蜂窩式：每個燃料噴嘴周圍有6個氧化劑噴嘴，氧化劑噴嘴數與燃料噴嘴數之比為2
 
棋盤式：每個燃料噴嘴周圍有8個氧化劑噴嘴，氧化劑噴嘴數與燃料噴嘴數之比為3
 
同心圓式：燃料噴嘴與氧化劑噴嘴沿同心圓交替排列

噴注器噴嘴的排列對燃燒性能、燃燒穩定性和燃燒室可靠性都具有重要影響[33]:75。對於單組元離心式噴嘴，其基本排列方式有蜂窩式、棋盤式和同心圓式。蜂窩式的每個燃料噴嘴周圍有6個氧化劑噴嘴，實際的氧化劑噴嘴數與燃料噴嘴數之比為2；棋盤式的每個燃料噴嘴周圍有8個氧化劑噴嘴[i]，實際的氧化劑噴嘴數與燃料噴嘴數之比為3；同心圓式則是所有噴嘴都位於一系列同心圓上，燃料噴嘴與氧化劑噴嘴沿同心圓交替排列，雙組元離心式噴嘴和直流式噴注單元通常也採用這種排列方式。[33]:91-92

考慮到燃燒室壁的可靠冷卻問題，可利用靠近室壁的邊區噴嘴建立燃料邊界層冷卻。在進行邊區噴嘴排列時，可將近壁層的混合單元做成不完整的，取消氧化劑噴嘴；或者在周邊用一圈燃料噴嘴構成保護邊界層，一般採用小流量的離心式噴嘴或採用直流式噴嘴的內冷卻環。[33]:93為改善燃燒穩定性，在噴嘴排列時常採用液相分區的辦法，即將噴注器分成若干個區域，採用不同類型的噴嘴、不同的質量流量密度、不同的撞擊角度和不同的組元混合比，造成各區域不一樣的燃燒。分區面上通常採用霧化較粗、噴射距離較遠、流量較大的噴嘴，分區噴嘴噴射出的液體形成連續的液膜，將各區隔開。[33]:98

燃燒室

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燃燒室是推進劑霧化、蒸發、混合和燃燒的容腔，承受高溫燃氣壓力。其頭部裝有噴注器，末端與噴管連為一體。燃燒室主要的結構形式有球形、圓筒形和環形，其中圓筒形應用最為廣泛[33]:245。

噴管

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參見：火箭發動機噴管

噴管使高溫燃氣膨脹和加速，產生高速射流。其通常為拉伐爾噴管，由收斂段、喉部和擴張段三部分組成。按照噴管型面的不同，噴管可分為錐形噴管、鐘形噴管、塞式噴管和膨脹偏流噴管等[33]:272。

推力室冷卻和防熱

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液體火箭發動機在工作過程中，由於高溫燃氣的作用會造成推力室內壁溫度迅速升高，為防止內壁溫度過高導致殼體強度劇烈下降，需要對推力室採用冷卻和防熱措施。推力室冷卻防熱方法主要有：

再生冷卻
在較大推力液體火箭發動機上所採用的最基本的冷卻方法。利用推進劑的一種組元（通常為燃料）或兩種組元作為冷卻劑，在其進入燃燒室之前以一定流速流經推力室內外壁之間的夾層或通道，將內壁的熱量帶走，以達到冷卻目的。冷卻劑吸收的熱量並未損失，它隨着冷卻劑噴入燃燒室而又回收到燃燒室內，故稱為再生冷卻。[32]:286-288
排放冷卻
從主燃料輸送管路中引出一小部分燃料作為冷卻劑流經冷卻通道，傳熱機理與再生冷卻類似，但冷卻劑不流回集液腔，而是通過冷卻通道出口的小噴管排出並產生一定推力。一般應用於氫氧發動機的噴管擴張段。[33]:325-326
薄膜冷卻
最早的推力室冷卻方法，由戈達德在20世紀20年代最先使用[10]:75。冷卻劑（如一定量的推進劑）沿推力室內壁以低速噴入推力室，在內壁面上形成一層薄層液膜或在內壁附近形成一層低溫的蒸氣膜，以降低高溫燃氣向壁面傳遞的熱流。常用作輔助冷卻方法，可應用於整個燃燒室或僅用於噴管喉部區。[32]:290-291
發汗冷卻
薄膜冷卻的特殊形式。推力室的內壁由多孔材料製成，孔徑為數十微米。多孔材料通常用金屬粉末燒結而成，或用金屬網壓制而成。冷卻劑通過多孔材料滲入到推力室內表面上，吸收熱量蒸發並形成低溫蒸氣膜。使用氫燃料的J-2發動機和航天飛機主發動機採用了這種方法來冷卻噴注器面。[32]:291[33]:333
輻射冷卻
推力室只有單層室壁，由耐高溫材料製成。燃氣向室壁傳熱，使得室壁溫度升高，同時室壁向外界環境中輻射的熱量也增加。最終室壁達到熱平衡，壁溫達到穩定值，此時室壁通常發紅或發白。常用於熱通量密度較小的部件，如大膨脹比的噴管的擴張段、單組元推力室等。[32]:286
燒蝕冷卻
推力室的室壁有採用燒蝕材料製成的內襯。燒蝕材料通常由一系列埋入有機材料（如塑料、環氧樹脂、酚醛樹脂）基體的高強度定向纖維（如玻璃、凱芙拉、碳纖維）組成。在發動機工作過程中，基體材料吸收熱量，並且分解生成氣體，氣體從基體滲出後在內壁面上形成保護邊界層。常用於燃燒室壓力較低、工作時間較短的推力室以及噴管擴張段。[32]:288-289
隔熱防護
在推力室壁內表面敷上一層高熱阻材料作為絕熱層。可以在室壁內表面塗上一層耐高溫塗層，如氧化鋁或氧化鋯塗層，要求塗層材料導熱係數低、表面容許溫度高、附着性好以及具有抗振動載荷、抗機械衝擊、抗熱衝擊的性能。也可以採用難熔材料如陶瓷、石墨製成襯套覆蓋在室壁內表面上，多用於非冷卻發動機，特別是噴管喉部附近，但這些材料對熱衝擊敏感，容易引起裂紋和剝落。[33]:335-336

推進劑供應系統

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推進劑供應系統是在液體火箭發動機工作時將貯箱中的推進劑按照要求的壓力和流量輸送到推力室中的系統，一般可分為擠壓式供應系統和泵壓式供應系統。

擠壓式供應系統

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主條目：擠壓循環

擠壓式供應系統是利用高壓氣體將推進劑組元從貯箱擠壓到推力室中。高壓氣體擠壓推進劑的方式有氣體直接擠壓、柔性囊袋擠壓和活塞擠壓[32]:204。擠壓氣體的來源有以下幾種方案：

貯氣系統
氣源來自高壓氣瓶，在發動機工作前通過充氣閥將壓縮氣體充入氣瓶中。擠壓氣體通常選用氮氣、氦氣等惰性氣體。大多數擠壓式供應系統利用減壓器將從氣瓶流出的氣體控制在恆定的壓力來擠壓貯箱中的推進劑，即為恆壓式貯氣系統。若發動機工作時允許推力逐步下降，則可取消氣瓶和減壓器，適當調整貯箱中初始氣墊的容積，依靠初始氣墊的自身膨脹來擠壓推進劑，即為落壓式貯氣系統。[1]:308[31]:24
液體汽化系統
將容易汽化的推進劑組元通過換熱器加熱、汽化後擠壓貯箱中的推進劑。推進劑汽化系統主要用於泵壓式供應系統的貯箱增壓，對於擠壓式供應系統，發動機還需要單獨的貯氣系統來擠壓液體在換熱器中汽化，但這使得增壓系統更複雜化。[31]:25-26
化學反應系統
利用化學反應生成擠壓氣體。化學反應生成擠壓氣體的方案有三種：固體推進劑燃氣發生器（英語：Gas generator）、液體推進劑燃氣發生器以及在貯箱中直接化學反應產生擠壓氣體。固體推進劑燃氣發生器系統由燃氣發生器、過濾器和燃氣調節器等組成；液體推進劑燃氣發生器系統由輔助氣瓶、輔助貯箱和燃氣發生器以及其他附件組成採用。燃氣發生器系統還需要對熱燃氣冷卻降溫。在貯箱中直接化學反應的系統是將少量燃料（或氧化劑）噴注到氧化劑貯箱（或燃料貯箱）中，發生自燃反應產生擠壓氣體。[31]:26-28

擠壓式供應系統結構簡單，但發動機燃燒室壓力較低，多用於反作用控制系統等小推力發動機[31]:24。

泵壓式供應系統

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V-2火箭的發動機渦輪泵。渦輪轉子位於中間，兩側分別為液氧泵和酒精泵

泵壓式供應系統是利用高速旋轉的泵將推進劑組元增壓後輸送至推力室。泵壓式供應系統主要由推進劑泵、渦輪、渦輪動力源、調節器、閥門和管路等組成[31]:28。泵由渦輪驅動，二者組成渦輪泵（英語：Turbopump）。泵與渦輪之間的傳動布局有：將燃料泵、氧化劑泵和渦輪安置在同一根傳動軸上直接傳動，渦輪居中或者偏置，即為單轉子方案；也可以在它們的軸之間設置齒輪變速箱進行傳動，即為多轉子方案[31]:229。液體火箭發動機最常用的泵為離心泵[32]:371，採用的渦輪有衝擊式渦輪和反力式渦輪[32]:380。

泵壓式液體火箭發動機的動力循環描述了推進劑在發動機主要組件中的具體流動路徑、驅動渦輪的工質供應方法及渦輪工質的排氣處理方式[32]:222。按照渦輪工質的排放方式，可將動力循環分為開式循環和閉式循環。開式循環是將經渦輪工作後的工質直接從渦輪排氣噴管排出或者排到推力室噴管擴張段內，未利用工質剩餘能量；閉式循環是經渦輪工作後的工質最後都注入燃燒室燃燒以最大程度利用其能量[32]:222。泵壓式供應系統又可按渦輪工質的來源分類，最常見的有燃氣發生器循環、膨脹循環和分級燃燒循環等[j]。

燃氣發生器循環
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主條目：燃氣發生器循環
 
燃氣發生器循環示意圖

燃氣發生器循環屬於開式循環，渦輪工質來自燃氣發生器。其使用的推進劑可由單獨的貯箱供應，亦可從推進劑組元供應系統中抽取。燃氣發生器的混合比通常是富燃或富氧的，這樣燃氣溫度不會過高導致渦輪葉片不能承受。燃氣驅動渦輪後通過渦輪排氣噴管排出發動機，使發動機產生了一個額外的小推力，故推力室本身的推力略低於發動機的總推力。由於渦輪排氣的能量未充分被利用，因此推力室本身的比沖略高於發動機的比沖，採用燃氣發生器循環的發動機的比沖一般也低於閉式循環發動機的比沖。燃氣發生器循環結構相對比較簡單，技術成熟，被V-2火箭的發動機以及F-1、J-2、RS-68等許多液體火箭發動機所採用。[31]:29[32]:222-224

膨脹循環
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主條目：膨脹循環
 
膨脹循環示意圖

膨脹循環屬於閉式循環，是將用作推力室冷卻劑的液體燃料流經推力室冷卻夾套吸熱汽化後作為驅動渦輪的工質，從渦輪排出後再注入燃燒室，與氧化劑混合併燃燒。由於推力室冷卻夾套的加熱量有限，因此渦輪工質的做功能力有限，從而限制了燃燒室壓力的提高。膨脹循環的主要優點是發動機比沖較高、結構簡單、質量較小。膨脹循環適用於氫氧發動機，如RL10火箭發動機。[31]:30[32]:224

膨脹排放循環是它的一個開放循環改型，能夠達到更高的推力。

分級燃燒循環
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主條目：分級燃燒循環
 
分級燃燒循環示意圖

分級燃燒循環也稱補燃循環，屬於閉式循環，是將一種推進劑組元的全部流量和另一種推進劑組元的部分或全部流量輸送至預燃室內燃燒，以產生的低溫燃氣來驅動渦輪，從渦輪排出的燃氣再被注入燃燒室中進行補充燃燒。將兩種推進劑組元的全部流量輸送到預燃室內進行燃燒的循環稱為全流量分級燃燒循環。通常，液氧/液氫推進劑選用富燃預燃室，液氧/煤油推進劑選用富氧預燃室，而全流量分級燃燒循環則一定為富氧和富燃雙預燃室。分級燃燒循環的渦輪工質流量較大，做功能力強，因而容許採用很高的燃燒室壓力。這種循環的發動機的比沖更高，但發動機結構較複雜、質量更重。分級燃燒循環在大推力液體火箭發動機中得到廣泛應用，如使用富燃預燃室的航天飛機主發動機、RD-0120火箭發動機以及使用富氧預燃室的RD-120、RD-170火箭發動機。[31]:30-31[32]:222-227

抽氣循環
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抽氣循環示意圖

抽氣循環為開式循環。從火箭發動機主燃燒室抽取一部分熱燃氣引入渦輪驅動燃料/氧化劑泵，最後乏氣直接排出。[34]

NASA的J-2S火箭發動機，在1969年成功測試了抽氣循環發動機。[35]2013年, 藍色起源（Blue Origin）公司的使用了抽氣循環BE-3（英語：BE-3）火箭發動機的新謝潑德火箭飛行測試成功。

抽氣循環發動機的起動相當複雜。而且循環渦輪必須耐受更高溫度。[36]

控制系統

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液體火箭發動機的啟動、操控和關機等各個工作階段的控制由發動機控制系統來完成。液體火箭發動機的基本控制系統包括發動機啟動和關機控制系統、發動機主級控制系統、貯箱增壓控制系統、發動機推力大小控制系統和推力矢量控制系統等[31]:55。在現代液體火箭發動機中，計算元件、微處理器及計算機控制器與各類閥門和調節器、測量發動機系統各參數的傳感器和測量儀表以及電路系統等共同構成發動機控制系統[31]:318。安裝在輸送管道上的各種閥門和調節器通過接受從控制器發出的指令信號，在電、液壓或氣動等能源的驅動下，對發動機的工作過程以及推力、推進劑混合比等工作參數實現控制和調節。液體火箭發動機上使用的閥門有兩類：一類是用來控制發動機工作過程的閥門，如啟動閥、加注閥、泄出閥、充氣閥、斷流閥、隔離閥、單向閥和卸壓閥等；另一類為諸如減壓器、壓力調節器、氣蝕文氏管和節流圈等這些用來調節發動機主要性能參數的閥門，即調節器或調節閥[31]:318。

液體推進劑

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液體火箭推進劑，簡稱液體推進劑，是為液體火箭發動機提供能源和工質的液態化學物質，是影響發動機及火箭性能的重要因素之一。它可以是單質、化合物，也可以是混合物。液體推進劑通過在燃燒室進行氧化反應或分解反應，將化學能轉化為熱能，生成高溫高壓氣體產物，再通過噴管膨脹加速，將熱能轉化為動能。

基本要求

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對液體推進劑的基本要求主要有：[32]:242-251[37]:147

實際上並沒有各方面性質都很好的推進劑，選擇液體推進劑時需要綜合權衡以上這些因素。

分類

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液體推進劑的分類方式有：按推進劑組元數，可分為單組元推進劑、雙組元推進劑和三組元推進劑；按推進劑貯存性能，可分為可貯存推進劑（如煤油、硝酸等）和低溫推進劑（英語：Cryogenic fuel）（如液氫、液氧）；按氧化劑與燃料直接接觸時的化學反應能力，分為自燃推進劑和非自燃推進劑。[31]:9

常用的液體推進劑

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大多數液體火箭發動機使用的是雙組元推進劑。常用的雙組元液體推進劑有三類：①液氧/液氫推進劑組合，無毒推進劑組合中比沖最高的，主要用於運載火箭上面級和某些助推級；②液氧/烴類（如煤油、汽油、酒精等）推進劑組合，平均密度較高，可使火箭結構做得較緊湊，常用於運載火箭助推級和某些第二級；③可貯存推進劑組合，包括硝酸/烴類、四氧化二氮/偏二甲肼、四氧化二氮/混肼50（英語：Aerozine 50）以及四氧化二氮/一甲基肼（英語：Monomethylhydrazine）等組合，可長期貯存，沒有低溫推進劑的發射準備時間長和處理複雜等問題，用於彈道導彈第一、二級大型發動機以及幾乎所有使用雙組元推進劑的反作用控制小推力火箭發動機。[32]:241-242

單組元推進劑必須具有化學穩定性和熱穩定性，並且還必須容易分解和反應。最常用的單組元推進劑是肼，被廣泛用於衛星和其他航天器的姿態和軌道控制小推力火箭發動機。肼的分解產物包括氨氣、氮氣和氫氣，催化劑可採用銥、鐵、鎳和鈷等。[32]:259-260

液體推進劑的燃燒

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燃燒過程

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液體推進劑從噴入燃燒室到完全變成燃燒產物，需要經歷一個十分複雜的物理-化學過程。為便於描述和理解燃燒過程，可以從宏觀角度將燃燒室定性分為三個特徵區域：

噴射/霧化區
從噴注器噴注的推進劑組元射流或液膜通過相互撞擊等方式霧化成小液滴。部分液滴開始蒸發，形成富氧或富燃的局部區域。該區域是非均相的，含有液滴、推進劑蒸氣以及一些高溫燃氣。由於推進劑溫度較低以及富氧區和富燃區燃燒速率不高，該區域只有一定的化學反應發生，釋熱率較低。[32]:345-346
快速燃燒區
隨着溫度的不斷提高，劇烈而快速的化學反應發生，所有剩餘液滴都受熱蒸發，富燃和富氧氣團相互混合。推進劑反應生成中間產物以及更小更簡單的燃燒產物，並放出大量的熱。熱氣的快速膨脹會造成氣體從高溫高燃燒速率區向低溫低燃燒速率區的局部橫向流動。隨着氣體向快速燃燒區下游的流動，氣體組分和混合比變得更加均勻。氣體在加速過程中，溫度越來越高，橫向速度與不斷增加的軸向速度相比越來越小。[32]:344-345
管流燃燒區
化學反應以較低速率繼續進行，並使得燃燒產物趨於化學平衡狀態。燃氣為流動速度很高的流線型軸向流，幾乎沒有橫向流動。這一區域可延伸至噴管。[32]:346

燃燒不穩定性

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推進劑在燃燒室內的燃燒不會是絕對平穩的，總是有一些壓力、溫度、速度的波動，當這些波動與推進劑供應系統（甚至整個飛行器結構）的固有頻率或燃燒室聲學振盪相耦合時，就會產生周期性的疊加振盪，即為燃燒不穩定性[32]:348。發動機燃燒室可以看作自激振盪系統，系統的能量來源是燃燒過程釋放的能量，振盪器是燃燒室和推進劑供應系統，二者之間存在一定的響應和反饋過程，維持着振盪過程[38]:201。燃燒不穩定性通常以燃燒室壓力變化的周期性來表徵。燃燒不穩定性的燃燒室壓力波動具有明顯的周期性，且振幅較大，一般在平均室壓的±5%以上[38]:192。若發動機穩態工作期間壓力波動不超過平均室壓的±5%，則認為發動機處於平穩燃燒狀態；若燃燒的壓力波動很大並且是隨機的，則稱其為粗糙燃燒[32]:348。

液體火箭發動機燃燒不穩定性按燃燒室壓力振盪頻率分為低頻燃燒不穩定性、中頻燃燒不穩定性和高頻燃燒不穩定性：[32]:348[33]:190-224[37]:212

低頻燃燒不穩定性 中頻燃燒不穩定性 高頻燃燒不穩定性
頻率範圍[k] 200赫茲以下 200－1000赫茲 1000赫茲以上
燃燒室壓強分布 較均勻 不均勻 很不均勻
壓強振幅 室壓的25%－50%左右 較小 室壓的50%－100%或更大
有關因素 和推進劑供應系統（甚至整個飛行器結構）與燃燒室壓力的相互作用有關 和推進劑系統結構及噴注器集液腔的振動、流動漩渦、燃料/氧化劑混合比波動、推進劑供應系統諧振有關 和燃燒過程中各種力（壓力波）及燃燒室聲學諧振特性有關
危害 使燃燒過程惡化，導致發動機性能下降；系統發生共振，可能導致管路或接頭斷裂 導致推進劑混合比的振盪和發動機性能的降低 燃燒室局部傳熱率急劇增加從而導致發動機損壞
抑制措施 提高燃燒室壓強和噴注器壓降，採用噴霧細微的噴嘴，以改善噴霧的形成，減小燃燒時滯 改變推進劑供應系統或噴注器結構以減小兩者之間的耦合，或在推進劑供應系統中設置節流圈、蓄壓器或四分之一波管等阻尼裝置 在噴注面上安裝隔板、聲襯或聲腔等阻尼器；改進噴注器的形式、孔徑和壓降以及噴嘴排列等

特點

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液體火箭發動機具有化學火箭發動機的特點：[1]:180-181

  • 自身攜帶推進劑，工作不依靠大氣，可在大氣層內、大氣層外以及水下工作；
  • 推力隨飛行高度增加而增加，與飛行速度無關；
  • 發動機結構質量與發動機推力之比較低；
  • 工作條件苛刻，在高壓、高溫、高轉速、高速噴氣、超低溫和強腐蝕性條件下工作。

液體火箭發動機與固體火箭發動機相比各具優缺點：[1]:10-11

液體火箭發動機 固體火箭發動機
結構 零部件較多、結構複雜 結構相對簡單
比沖 較高，可達450 s 較低，不超過300 s
可控性 可以多次啟動和脈衝工作，可控性好 很難調節推力大小和多次啟動，可控性差
可靠性 較低 較高
使用和維護 發射準備時間較長，維護使用不便 操作簡單，維護方便
工作時間 較長 較短
質量比[l] 較低 較高
成本 較高 較低
環境適應性 較高 工作性能受外界環境溫度（裝藥初溫）影響較大

應用

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使用液體火箭發動機作為動力的聯盟號系列運載火箭

液體火箭發動機作為最為成熟的火箭推進系統之一，具有較高的性能和許多獨特的優點，應用廣泛。目前液體火箭發動機主要被用於運載火箭、航天器以及導彈等方面：

此外，液體火箭發動機還曾被用作探空火箭和飛機的推進動力，以及飛機的噴氣助推起飛（英語：JATO）系統等[10]:5-11。

相關條目

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注釋

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  1. ^ 1927年，秘魯科學家佩德羅·保萊特（英語：Pedro Paulet）在報紙上聲稱，其早在1895年就開始進行液體燃料火箭的設計與試驗但一直未公開發表，此說法由於缺乏實質性的證據而未獲得普遍承認[10]:247，因此通常認為第一枚液體燃料火箭是由戈達德發射的。
  2. ^ 在He 176飛機之前已出現火箭動力飛機，如Opel RAK.1飛機等，但其使用的是固體火箭發動機。
  3. ^ 57%的甲醇、30%的聯氨和13%的水的混合物。
  4. ^ 濃度為80%的過氧化氫溶液。
  5. ^ 原名為美國星際學會（American Interplanetary Society），於1934年更名為美國火箭學會。
  6. ^ 洛克達因最早是北美航空公司成立的部門（1955-1967年）；後來分別成為北美羅克韋爾的部門（1967-1973年）、羅克韋爾國際的部門（1973-1996年）和波音公司的部門（1996-2005年）；2005年被賣給聯合技術公司成立普惠-洛克達因公司；2013年被金庫普集團（英語：GenCorp）收購，與噴氣飛機公司合併為噴氣飛機-洛克達因（英語：Aerojet Rocketdyne）公司。
  7. ^ 該發動機原本是為納瓦霍導彈（英語：SM-64 Navaho）研製的XLR43-NA-1發動機，後來被紅石導彈所選用，亦即為NAA 75-110發動機[17]。
  8. ^ ORM­-65發動機只是最初被用於RP-­318的地面試驗；而由於爆炸和控制系統問題，212巡航導彈在1939年不再採用ORM­-65發動機。
  9. ^ 或者是4個氧化劑噴嘴[33]:106，則實際的氧化劑噴嘴數與燃料噴嘴數之比為1。
  10. ^ 此外還有推力室抽氣循環，從推力室中靠近噴注器截面處引出的燃氣作為渦輪工質，但其技術難度較大，技術尚待進一步發展，目前僅在美國的J-2S火箭發動機上得到應用[31]:29。
  11. ^ 低頻、中頻和高頻之間並沒有一個明確的分界線[38]:192。
  12. ^ 推進劑質量與發動機總質量之比。

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