单组元火箭发动机多为微、小型火箭发动机，是火箭发动机的一个分支，用于给飞机、卫星、探测器、飞船、太空梭、飞弹弹头、运载火箭上面级等飞行器提供冲量及执行姿态控制。

世界各国在微、小型火箭发动机的研製和发展方面有着各自的特点和途径。

1957年，以过氧化氢(H₂O₂)为推进剂的单组元催化分解发动机，在美国X-1B飞机上进行了首次飞行试验。

1959年，过氧化氢发动机第一次用于美国侦察卫星的运载火箭上面级，执行姿态控制及末速修正。这种发动机用经硝酸钐进行过活性处理的银作催化剂，1960年进行了首次飞行试验。从此，过氧化氢发动机便进入了宇宙飞行时代。

1960年～1963年间，过氧化氢发动机得到进一步的发展和套用。它被列入了美国第一代载人飞船水星号计画，用于控制飞船的俯仰、偏航及滚转。1961年进行了首次飞行试验，以后又先后进行了5次太空飞行，2次载动物飞行，6次载人飞行。

继水星号飞船后，过氧化氢发动机又先后用在1965年、1967年发射的国际通信卫星Ⅰ号及国际通信卫星Ⅱ号上，用来执行轨道修正及东西、南北位置保持。

苏联1964年发射的第二代飞船上升号及1967年发射的第三代飞船联盟号的姿态控制，同样採用了过氧化氢发动机。

由于过氧化氢具有比沖低，常温下稳定性较差因而不易贮存等缺点，1963年以后，随着以肼为推进剂的肼发动机的研製与套用，过氧化氢发动机的套用便受到一定的限制，1967年以后便完全被肼发动机代替。

以高压冷气作推进剂的冷气发动机，与过氧化氢发动机几乎是同步进入宇宙飞行时代。这是因为它们的性能表现各有千秋，又不能互相替代。

20世纪60年代，美国的气象卫星雨云号、通信试验卫星辛康号和中国的东方红号卫星均採用冷气发动机来执行三轴姿态控制。

与过氧化氢发动机一样，到1967年，冷气发动机已基本被肼发动机代替。但由于冷气发动机具有安全可靠、无毒、易贮存等独特优点，因此，目前还有少数飞行器用它来作姿态精调。

肼发动机早在1958年便开始研製。1959年第一次用于探测金星的空间探测器及运载火箭第三级的速度修正。1962年首次成功地使探测器飞往金星。1961年～1965年间美国发射的月球探测器徘徊者号及行星际探测器水手号均採用了肼发动机，使用H-7催化剂。

由于H-7催化剂是一种非自髮型催化剂，常温下不能使肼迅速分解，使肼发动机的套用受到一定的限制。

随着航天事业的迅速发展，对微、小型发动机的要求越来越高，要求微、小型发动机在常温下能多次启动，能长脉冲稳态工作和短脉冲瞬态工作，具有几年甚至十几年的长寿命工作能力。因此，常温下不能迅速启动的肼发动机是很难满足这些要求的。1964年，美国希尔化学公司研製出希尔-405催化剂。希尔-405催化剂有很高的活性及强度，常温下能使肼迅速分解，改善了肼发动机的启动性能并使其具有长寿命工作、多次冷启动、稳态及脉冲工作能力。希尔-405催化剂的研製成功，为肼发动机的套用开闢了广阔的前景。以希尔-405为催化剂的肼发动机第一次使用在国际通信卫星Ⅲ号上(见图1)。以后的国际通信卫星Ⅳ号、ⅣA号、V号均採用了肼发动机作姿态控制。

由德国、法国和英国等国家成立的“欧洲宇宙空间研究中心”，还研製出不同推力的肼发动机簇(见图2)，使肼发动机系列化，并先后用在气象卫星、轨道试验卫星、导航卫星及定点科学卫星等卫星上。

众所周知，由于大气层内有充足的氧气可支持燃烧，所以在其内运行的汽车和飞机等发动机的燃料一般仅指汽油等易燃性矿物燃料。而火箭发动机不仅要在大气层内工作，还要在氧气稀薄的太空中飞行，因此必须自带氧化剂来支持燃烧室内的燃烧反应。燃烧所产生的高温气体一般由涡轮发动机的喷管高速喷出，以产生足够大的推力推动太空飞行器飞行。在航空航天领域中，将这种无需外界氧化剂且能自持发生剧烈的化学反应(含燃烧)，并生成大量高温气体工质的“燃料”统称为推进剂。推进剂按其物理状态可分为液态和固态两种类型；按使用时组元数的不同，推进剂又分为单组元、双组元和多组元等多种类型。凡氧化剂与燃烧剂按比例配成一种形态，只需一个存贮器及传输系统时，此推进剂称为单组元推进剂。现常使用的单组元推进剂有火药(固体複合推进剂)、硝基甲烷、高浓度过氧化氢和“奥托Ⅱ”燃料(一种硝酸酯基推进剂，分解产物有毒，常用于鱼雷)等。

单组元即发动机工作只靠一种推进剂组元，这种组元能靠自身分解进入燃烧，或先分解而后进入燃烧，单组元推进剂在使用条件下应该稳定，进入推力室后又必须立即分解、燃烧。常用的单组元推进剂有过氧化氢、无水肼、硝酸异丙酯等。

下面以肼推进剂为例，说明单组元发动机的详细工作原理：

其工作原理为液态肼经活门、喷注器，以雾状形式进入推力室。它们与铺有表面浸透铱的氧化铝载体的催化剂床接触，发生放热反应，使液肼蒸发，然后灼热的肼蒸气离开催化床。肼的温度提高到某一温度以后，肼的分解速度很高，化学反应足以靠自身放热来维持。最终肼分解产物通过喷管产生推力。

典型的肼分解发动机

在这种肼分解发动机中，重要的问题是催化剂消耗和催化剂中毒的问题。催化剂的消耗指的是由于催化球体运动和摩擦导致非常小的颗粒损失掉了。肼所含有的微量杂质(如苯胺、甲基肼、偏二甲肼、硫、锌、钠和铁等)会使催化剂中毒，也就会降低催化剂的活性。这种催化剂的退化都会产生点火延迟，压力过载和压力脉冲，使比沖降低。在姿态控制发动机里的每个脉冲其冲量都要降低一点，其原因就在于此。

相比于双组元火箭发动机，单组元火箭发动机一般只产生四种类型的污染：

(1)预燃期间产生的未反应的燃料或氧化剂蒸气。这种未发生反应的燃料和蒸气可形成直径大约1μm～2μm颗粒组成的浮云尘，并且经常造成迷雾或烟雾状的沉积现象。

(2)未完全发生反应的燃料或者颗粒太大(直径为几百微米)，以致不能在燃烧室完全发生反应的氧化剂颗粒。这些燃料和颗粒可通过发动机喷管加速到几千米每秒，如果这些颗粒在羽烟中没有完全气化，那幺它们就会在羽烟扩散时沉积在结构表面或者将表面磨损。

(3)未燃烧的推进剂在冲击燃烧室壁时可产生涂膜，该涂膜喷出喷管之前要顺流扩散(由于膨胀气体的粘力作用)。

(4)燃烧产物，如水蒸气、C02和单组元肼硝酸盐等，在羽烟中能够凝聚或在羽烟的扩散时能凝聚在冷壁表面，这些物质与未燃烧的推进剂一样，能够沉积在结构表面或将表面磨损。

H₂O₂是一种无色透明的液体,与水是互溶的,本身不燃烧;它与许多无机化合物或杂质接触后会迅速分解,释放出大量的氧、热量和水蒸汽。

H₂O₂发动机工作时,其中的催化剂使H₂O₂分解成水蒸汽和氧气,同时释放出热量。纯净的、不含固体颗粒的高温气体由喷管喷出,并产生推力。

H₂O₂发动机的不足之处在于:由于H₂O₂的化学性质不稳定,在稍微存在铜、银、氧化铁等污染的情况下就会开始分解,在释放热量的同时,使系统中的压强增高。

H₂O₂发动机曾套用于载人飞船、货运飞船等飞行器,但H₂O₂在长期稳定性方面的缺陷影响了H₂O₂发动机在卫星等更多空间推进系统上的套用。进入90年代后,由于环境保护等方面要求,人们又加强了对它的套用研究,目前还被计画代替冷气推进系统套用于小卫星的推进系统。

羟基推进剂为硝酸羟铵、燃料(如硝酸三乙醇铵等)和水的混和物。因其与固体推进剂相比具有能量高、性能易调节、贮存和后勤供应方便等优点,最初被美国军方用作液体火炮推进剂。

后来,在美国NASA执行的一项“先进的单元推进剂计画”中,因羟基推进剂具有冰点低、密度比沖高、安全无毒的特点,且在常压下不敏感,存贮安全,无着火与爆炸的危险,可减少运输和贮存的安全性管理要求,因而被NASA作为新一代的无毒单元推进剂进行研究与试验。

硝酸羟铵本身为固态、富氧的推进剂,其分子式为NH₃OH·NO₃。它和燃料可一起溶解在水中,形成比较稳定的混和物———羟基推进剂,不产生有毒蒸汽,也无致癌危险。

发动机工作时,硝酸羟铵首先分解为氮的氧化物和HNO3雾,并释放出20%左右的热量;燃料液滴在该氧化物和HNO₃雾环境中,在一定的温度和压力下,开始着火燃烧,并释放出剩余的80%左右的热量。

400℃的催化床预热要求,给羟基发动机的空间套用带来了一定的限制。美国尚未研製出可供飞行用的产品,但是,已基本完成的寿命和可靠性研究表明,羟基发动机的空间套用是可行的。美国现正考虑将其羟基发动机的研製工作向空间套用的方向发展,例如用于小卫星SpartanLite的轨道提升等。

硝酸肼基推进剂是以硝酸肼为基,主要配以水等而成的无毒单组元推进剂,其硝酸肼含量约为64%,ρ≈1.3g/cm³。在低于约10℃时,硝酸肼在推进剂中析出为结晶形态。

与无水肼相比,硝酸肼基推进剂的特点是:无毒无味,避免了无水肼的有毒蒸汽和易燃性。但其含水量相当大,因而发动机比沖低于无水肼。

在单元发动机工作过程中,硝酸肼基推进剂在铱催化剂的催化作用下分解成氮气、水蒸汽和一氧化氮等,并释放出大量的热量,高温燃气由喷管喷出,产生推力。

对硝酸肼基推进剂单元无毒推进剂及发动机的研製工作,在推进剂和催化剂的匹配上初步有所突破,但要实现空间套用的目标,还必须进一步开展以下几方面的工作,以降低发动机对温控的要求,提高发动机的工作寿命和工作可靠性:

a.降低推进剂的晶体析出温度;

b.降低发动机催化床对预热温度的要求;

c.提高推进剂与催化剂的匹配性。

单组元推进系统用于中型飞行器具有很多优点,其中包括工作系统简单、可靠性高、费用低等方面。

对于某些空间套用来说,使用单元推进系统不但费用较低,适应性好,并且推力範围大;而电推进系统等虽然比沖很高,但费用贵,且增加了电功率设备的重量。目前,研製新型无毒单组元发动机,彻底解决单组元液体火箭发动机在研製、生产、试验和使用中对环境的污染和对人员的伤害,已成为一个世界性的研究课题。若能在现有无毒发动机技术的基础上,研製出性能更好、寿命更长、使用更安全可靠的新型无毒单组元发动机,无疑将是对现有液体火箭发动机的一次大变革,并将使单组元液体发动机的研究进入一个新阶段。