液氧/甲烷轨姿控推进系统集成演示试验

为验证液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统涉及的主要关键技术和安全操作流程,上海空间推进研究所研制了国内首款氦气恒压挤压式液氧甲烷推进系统演示样机。历时3年,演示样机于2021年底顺利完成多轮次地面热试车考核,系统运行平稳,轨/姿控发动机工作协调、产品状态良好。介绍了演示样机的设计方案、研制历程和集成演示试验结果,以及轨/姿控发动机的设计与试验情况。液氧甲烷推进系统累计完成48次/约6000 s系统冷/热态试验考核,配套的5 kN轨控发动机累计完成点火工作40次/1860 s,配套的150 N/25 N姿控发动机累计完成稳态工作1690 s/脉冲点火约1250次。演示样机热试车的成功,标志着我国液氧甲烷空间推进系统实现了从“0”到“1”的突破,为后续型号工程应用奠定了基础,也为我国液体空间动力的升级换代和可持续发展提供了有力支撑。     

液氧/液甲烷姿控发动机点火技术研究

液氧/液甲烷推进剂组合具有高比冲性能以及其他优异的综合使用性能,已经成为未来空间化学推进的重要发展方向之一。点火技术作为液氧/液甲烷姿控发动机的重大关键技术,对发动机可靠启动、响应特性、脉冲一致性等关键指标具有重要影响。欧美国家已经开展系统以及相关组件的预先研究,其中美国已经完成了系统级的地面自由飞行试验。国内也已开展了低温推进系统技术论证,并开展了主发动机、姿控发动机以及点火器、低温贮箱、低温阀门等关键组件的研发。针对液氧/液甲烷低温推进剂组合进行了点火技术分析筛选和试验研究,验证了电火花点火与激光诱导等离子点火两种方案的原理可行性。试验表明在入口条件从气态到液态的宽广范围内两种方案均能实现可靠、可重复点火,两种点火方式对于LO_x/LCH_4发动机均原理可行。试验得出可靠点火的火花能量边界特性、混合比边界特性、响应特性以及脉冲特性,为后续液氧甲烷发动机设计提供依据。     

液氧甲烷重复使用辅助动力系统方案与进展

航班化航天运输系统的应用需求日趋迫切,基于液氧/甲烷（LOX/LCH4）发动机的可重复使用运载火箭成为国内外研究热点。面向某型运载火箭对一级返回辅助动力系统的需求,提出了基于电动泵的主辅一体化液氧甲烷系统方案和独立挤压式液氧甲烷系统方案,开展了方案比选和应用优势分析,并介绍了液氧甲烷轨姿控发动机和低温表面张力贮箱的研究基础,以及国内首款液氧甲烷轨姿控推进系统集成演示试验情况。液氧甲烷辅助动力系统可以实现全箭推进剂的统一和无毒化,助力运载火箭走向高效及完全可重复使用。选择切实可行的“分步走”策略,优先开展挤压式液氧甲烷辅助动力系统的工程化研制与飞行应用,逐步实现基于电动泵的主辅一体化液氧甲烷辅助动力系统在重复使用运载火箭和低温上面级等领域应用。     

液氧/甲烷发动机评述

简要介绍了国外液氧/甲烷发动机的研究情况。重点论述了甲烷的特点及它用作液体燃料的优缺点。液氧/甲烷发动机具有较高的性能,甲烷有好的再生冷却性能,是一个可供选择的推进剂组合。但由于其密度比冲比液氧/煤油发动机低,使用安全性也不如煤油;性能又比液氧/液氢发动机低,这些都限制了液氧/甲烷发动机的发展和应用。迄今为止,还没有一个液氧/甲烷发动机型号开展研制工作,因而也就不可能有其使用的历史。     

烃类推进剂航天动力技术进展与展望未来

为研究烃类推进剂航天动力技术在中国的后续发展和未来应用方向,对比分析煤油、甲烷和丙烷等典型烃类推进剂的物理化学性质和应用特性,简要介绍烃类推进剂航天动力在一次性运载火箭、可重复使用运载器、高性能上面级推进、无毒空间推进和吸气式推进领域的发展动态及应用状况。当前国内外航天动力系统的发展和应用情况表明,以液氧煤油发动机和液氧甲烷发动机为代表的烃类推进剂航天动力将引领未来高性能低成本航天推进系统的发展趋势,依照中国液氧/烃火箭发动机的研制进展和技术水平,以其为核心的新型动力体系在中国未来的天地往返、载人登月和深空探测等多任务适应性方面具有良好应用前景。     

3000 N液氧/液甲烷发动机方案与试验研究

液氧/液甲烷以其高性能、无毒、易于轨姿控一体化、行星表面资源原位利用等优势已成为国际化学空间推进的主流发展方向之一,对国内外低温液氧甲烷化学空间推进发展和3 000 N液氧甲烷发动机的方案设计和试验研究进行了介绍。方案主要包括总体结构方案,喷注方案、冷却方案、点火方案和燃烧稳定性分析。3 000 N发动机于2017年3月进行了点火热试车,发动机点火全部取得成功,并进行了5 s和10 s稳态试验。燃烧效率约0. 95,推算推力大于2 860 N,地面比冲大于242 s,与设计指标基本相当。     

登月舱用深度变推下降级发动机系统方案研究

在我国的载人登月技术方案中,为实现软着陆,登月舱需要一种大推力、高性能、多次起动,能够大范围变推力的泵压式发动机.通过研究国外登月用下降级发动机技术发展现状和趋势,基于我国氢氧发动机和低温推进剂空间贮存水平,进行了深度变推发动机的系统方案研究;通过分析比对燃气发生器循环和膨胀循环系统优缺点,确定发动机系统方案为涡轮串联闭式膨胀循环;采用空间可长时间贮存的液氧/甲烷推进剂组合,可满足任务周期要求;根据推力深度调节时对各组合件性能要求,确定喷注器燃烧稳定技术和燃烧室身部传热技术是深度变推发动机研制的核心关键技术.     

蓝箭航天液氧甲烷发动机研制进展

探讨了国内外商业航天运载火箭及其发动机的发展情况,研究比较了液氧甲烷、液氧煤油和液氧液氢等推进剂组合,提出液氧甲烷是商业航天、未来可重复使用液体火箭发动机的发展方向和最佳选择。分析了液体火箭发动机推力选择的原则,确定了蓝箭航天液氧甲烷发动机的推力为80 t和8 t。比较了燃气发生器循环、补燃循环及膨胀循环等动力循环方式,选择了燃气发生器循环的技术方案。介绍了蓝箭航天两型液氧甲烷发动机的总体方案、性能指标、技术创新点、用途和研制情况。     

我国液氧甲烷发动机技术发展概述

<正>可重复使用运载火箭的兴起使得双低温、积碳少的液氧甲烷发动机得到极大的重视。液氧甲烷发动机具有以下优势:甲烷推进剂可从天然气、油田气、可燃冰等中分离,来源广泛、价格便宜;液氧和甲烷推进剂温度相近,使得火箭易于采用共底贮箱方案以提高结构效率,同时在深空探测过程中液氧和甲烷推进剂在长期贮存热管理方面也有较大发展潜力;液氧甲烷发动机在地外行星原位制造方面拥有独特优势;在烃类推进剂中,甲烷的结焦温度（初始结焦温度950K）比煤油（初始结焦温度693～703K）更高,更高的结焦温度使得再生冷却推力室性能具有更大提升空间;甲烷冷却性能好,适用于全流量补燃循环方案,能够兼顾高性能和重复使用需求。     

液氧/烃三组元推进剂助推发动机的设计思想

讨论了液氧/烃三组元推进剂助推发动机的设计思想,这种液氧/甲烷助推发动机的初步设计还使用了液氢.试验表明,液氧/甲烷/液氢三组元推进剂发动机具有燃烧稳定、燃烧效率高、冷却性能好、能与铜合金燃烧室壁很好兼容等优点,因而可消除或大大减少设计可重复使用的高压烃类助推发动机时可能出现的风险.     

单级入轨火箭的混合推进系统

目前,许多单级入轨火箭作为一种可能降低向低地轨道发射有效载荷成本的运载手段,正在进行配制方面的鉴定分析.NASA 已设计出一种可操作的,使用液氧/媒油/液氢三组元发动机作为单级入轨火箭的方案.Thiokol 对这种使用捆绑式混合推进系统来增加轨道有效载荷能力的运载火箭进行了评估.NASA 将这种先驱火箭作为一种方案对单级入轨火箭的技术进行了论证。这种火箭称为 X-2000。它的主要推进系统使用液氧/煤油和液氧/液氢两种发动机,Thiokol 通过用混合发动机替代液氧/煤油发动机对主推进系统进行了新的探讨。它采用的混合技术在马歇尔航天中心(MSFC)正在进行验证。因此,混合推进系统是一种有效 SSTO 的推进系统.     

国外液氧/甲烷发动机的最新进展

<正>液氧/甲烷火箭发动机具有推进剂资源丰富、可重复使用、成本低、无毒无污染、使用维护方便、综合性能好等优点,世界各国一直未曾停止过关于液氧/甲烷发动机的研究,美国、俄罗斯和欧洲围绕液氧/甲烷发动机开展了许多研究工作。近年来,国外已经出现多个以液氧/甲烷发动机(包括太空探索技术公司的"猛禽"发动机、蓝色起源公司的BE-4发动机以及俄罗斯的RD-0162发动机等)为动力的火箭设计方案,这些设计方案大都具有重复使用特征。     

“阿里安”L5发动机的研制状况

“阿里安”L5是欧洲研制的最重要的中等推力级可贮存的二元推进剂发动机.它采用了多元件喷射器的设计原理,这种喷射器使用多个同轴喷射元件、一个燃料再生冷却燃烧室和一个辐射冷却的喷管扩展段.研制该发动机各部件所运用的技术与MBB-ERNO公司研制“阿里安”HM7液氧/液氢发动机时运用的技术相类似,但由于L5发动机的推进剂具有二元的基本特性,故现有的液氧/液氢技术只能部分采纳.对此MBB-ERNO公司提出了一项实验性计划来论证同轴式喷射器原理的可行性.L5发动机的研制工作包括整台发动机的设计及推进分系统的布局.叙述L5发动机的设计、性能和工作特性,以及研制状况,重点介绍目前正在研制的喷射器.     

惯性顶级固体进推剂的研制与鉴定

本文介绍了惯性顶级(IUS)固体火箭发动机用的丁羟推进剂及推进剂/包复层/绝热层界而系统的研制情况及生产历程;介绍了根据发动机设计要求选择推进剂配方的情况和推进剂的主要性能;还介绍了研制期间对配方和工艺的某些小的修改及修改原因。本文亦讨论了推进剂/包复层/绝热层的界面系统,包括包复层化学的主要特性和控制迁移现象以提高粘结系统的完整性的方法。     

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明：液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m²时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36...     

60t级液氧/甲烷发动机起动过程建模与仿真

为制定可靠的发动机起动程序,围绕60 t级液氧/甲烷发动机起动瞬态特性开展了一系列建模和仿真研究.介绍了60 t级液氧/甲烷发动机系统方案,列举了发动机系统仿真模型,搭建了全系统瞬态特性仿真平台.根据仿真结果选取了箱压下点火起动方案,提出了设置甲烷涡轮燃气旁通以降低亚临界两相气阻风险的解决方案.试验结果表明,发动机主要性能参数的计算结果与试验数据一致性较好.     

液氧/甲烷发动机的应用前景

通过对甲烷与煤油以及液氧/煤油发动机与液氧/甲烷发动机性能的对比,分析了甲烷的优点。重点介绍了美国、俄罗斯、欧洲、日本、韩国等国家液氧/甲烷发动机研究的现状。综合考虑各种因素,液氧/甲烷发动机是一种具有广泛应用前景的新型发动机,可用于载人亚轨道飞行、高性能飞机、探空火箭、运载火箭上面级、纳米卫星运载火箭第一级。     

30kN上面级液氧甲烷发动机方案

上面级是介于运载火箭与航天器之间的相对独立的一级,具备轨道转移能力,可将有效载荷精确送入预定轨道。上面级是提高火箭运载能力和提升任务适应性的有效途径,上面级发动机是实现该目标的关键。长期在轨的高性能上面级,要求主动力具备比冲高、空间可长期贮存和高可靠性等能力。针对此技术需求,对比分析了上面级发动机的系统方案;设计了采用泵压膨胀循环、双涡轮泵串联的30 kN上面级发动机系统方案;重点介绍了推力室、涡轮泵和发动机总装集成等关键组件的研究进展。研究表明:液氧甲烷推进剂非常适用于长期在轨上面级发动机;闭式膨胀循环发动机系统是长期在轨上面级动力系统方案的首选;推力室和涡轮泵等组件的研制结果,初步证明了发动机系统及组件方案的可行性;发动机总装和演示试验方案设计工作,为深入开展发动机系统技术研究打下了良好基础。     

液氧/甲烷液体火箭发动机燃烧研究最新进展

近来,俄罗斯和欧洲正在联合进行一个名为“VOLGA“的研究计划.其主要目标是用于可重复使用运载火箭或大型助推器的液氧/甲烷发动机的概念研究.SNECMA的主要工作是研究预燃室/燃气发生器的可重复使用技术,在液氧/液氢“火神“燃气发生器研制过程中,获得了很多低温推进剂的燃烧经验,但液氧/甲烷富燃燃烧带来了许多新的问题:如喷注性能、燃烧效率、稳定性、积碳形成等.为了解决上述问题,目前正在进行实验和理论两方面的研究.ONERA的马斯喀特(Ma scotte)试验装置就被改造用于研究甲烷的燃烧.最初的研究完成了对低混合比和压力范围在0.1MPa到6.0MPa下的液甲烷和气甲烷同轴喷注技术的评估.各项研究在继续进行,以求对液氧/甲烷低温燃烧问题进行完整的描述和理解.除了上述研究外,还在进行计算流体力学数值模拟工具的更新工作,但是只有一些非常特殊的工况点才需要进行修改工作,这是因为过去的火箭发动机燃烧研究工作已经对液氧/液氢低温燃烧特性有了深入的理解,有很多研究成果可用于液氧/甲烷燃烧研究.目前的主要问题集中在甲烷的高频燃烧稳定性和燃烧化学效应方面.在一个称为INCA的新的燃烧研究计划框架内将对这些问题进行研究.     

下一代火箭发动机

评述由地球发射入轨的运载火箭推进技术,提出了几种推进系统的新方案.这些新方案能满足美国空间发展委员会规定的作为2000年使用的大型运载火箭的基本要求.2000年使用的运载火箭的主要特点是首先必须保证其可靠性.而可靠性的获得又需要极为严密的结构设计以及合理、经济、高效的研制计划和鉴定计划.为了改进下一代空间运输推进系统,需要选择最佳的后备动力和循环系统,还要采用一些新的发动机设计方案,这样才能满足推进系统耐用、可靠和经济等要求.举例来说,采用推进剂或其它流体作为冷却介质和驱动动力源,能使长寿命涡轮机启动平稳、可控和降低涡轮燃气温度.所提出的新方案有:使用LOX/LH_2、LOX/LH_2 HC和LOX/LH_2 HC Al等不同推进剂组合的双扩张段发动机,LOX/LH_2发动机、LOX/HC发动机以及混合比可调的发动机.最后详细介绍一种风险很小、发射成本低、可完全重复使用的推进系统.