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。     

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/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。     

Morpheus液氧/甲烷一体化推进系统研究综述

液氧/甲烷推进剂组合凭借其比冲性能、绿色无毒、空间贮存特性及原位资源利用等综合性能高的优势,被NASA选定为未来化学空间推进的主要发展方向。Morpheus着陆器顺利在肯尼迪航天中心完成自由飞行与自主着陆试验,标志着NASA的液氧/甲烷空间推进技术达到了从单项技术开发走向系统集成应用的新里程碑。介绍了Morpheus着陆器的研制历程与研发模式,针对其采用的液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统,详细介绍了系统构成、推进剂输送方案和供应管路热控方案,以及可变推力主发动机和滚动控制发动机的设计原则、研制历程、涉及的主要技术问题与解决措施等。     

气氧/煤油发动机电点火技术研究

根据姿控发动机小结构、多脉冲、快响应的工作特点,研制了国内创新的150 N姿控发动机电脉冲点火技术,为无毒、无污染、高性能、低成本的气氧/煤油非自燃推进剂发动机奠定了基础。给出了航天电脉冲点火器的参数、设计方案和工作原理。地面和模拟真空环境热试车结果表明,气氧/煤油发动机采用电脉冲点火技术方案可行,地面及高空环境中均能可靠点火。150 N气氧/煤油发动机真空比冲可达2 800 N.s/kg,脉冲工作次数大于3 000次,并有较强的脉冲工作潜力。电磁兼容性试验显示,电脉冲点火发动机与箭上控制系统具有较好的电磁兼容性。     

运载火箭气氧/煤油姿控发动机技术研究

为实现空间推进系统的无毒、无污染、低成本、高性能和高可靠性,在国内首次研制了运载火箭辅助动力系统气氧/煤油发动机。以推力150 N的气氧/煤油发动机为研究对象,给出了点火、喷注器及身部冷却、阀门等的设计方案。介绍了研制中突破的小姿控发动机电脉冲点火器、气/液组合的有效混合、发动机稳态工作时的烧蚀,以及高空真空点火等关键技术。计算了气液两相流稳态燃烧流场并进行了氧化剂路气流试验。地面热试车和高空模拟热试车的结果表明,电脉冲点火器可实现发动机的可靠点火,采用同轴离心式内混合喷注、铌合金液膜辐射冷却方案的该气氧/煤油发动机真空比冲可达2 800 N.s/kg,脉冲工作大于3 000次,但真空中发动机的冷却仍需进一步研究。     

新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案研究

介绍了国外新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统发展现状,提出了一种新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案,介绍了新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统特点并分析了新型发动机系统关键技术,开展了新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统研究,掌握了主要组件设计技术,获得了活塞泵增压系统仿真特性。     

25N双组元发动机热控研究

先前的推进系统25 N双组元发动机头部仅一个安装法兰盘,无支架,发动机长时间工作后法兰盘热反浸温度较高,不利于法兰盘上游电磁阀的工作性能。目前推进系统采用双法兰盘支架结构的新型25 N双组元发动机,由于新增支架的隔热,给热控带来了一定难度。在空间极端低温环境下,为使发动机温度满足点火前指标要求,须采取一定的热控措施。以25 N双组元发动机为研究对象,运用I-DEAS/TMG有限元热分析软件,建立了物理模型,研究了大小法兰盘在不同加热功率组合下发动机头部温度场的分布,并根据计算结果选择最佳加热功率组合。同时,根据经验配以适当的被动热控措施。通过飞行试验验证25 N发动机热控设计可靠性高,该热控设计方案可用于其他在研型号的推进系统。     

一种姿轨控发动机地面试验控制系统设计

控制系统在试车过程中发出指令信号,使发动机和试车台各工艺系统按照预定的程序完成规定试车任务。为了适应某型号姿轨控发动机试验对控制精度要求的提高,需要对现有控制系统进行改造,基于现场可编程门阵列和高速固态继电器设计了一种新的控制系统,其控制模块用于操作人员对试验系统上的各路电磁阀进行手动与自动控制,其复记模块可以实时记录系统状态以便于指挥人员了解系统工作状况,并能够进行数据分析判断。该系统建成后可以满足该型号姿轨控发动机试验的要求,控制精度为0.1 ms。     

动态新闻

<正>18t级液氧煤油发动机累计试车达3600s据中国航天报2014年8月19日报道,中国航天科技集团公司航天推进技术研究院研制的18t级液氧煤油发动机1200s长程试车取得圆满成功,验证了发动机长程工作可靠性、极限入口压力及相关飞行程序适应性,确定了18t级液氧煤油发动机试样技术状态。发动机总试车累积时间已达到3600s,标志着18t级液氧煤油发动机可靠性迈上新台阶,为我国新一代运载火箭的顺利首飞奠定了     

姿控发动机静态特性分析

通过建立液体火箭姿控发动机静态数学模型,计算了典型双组元液体姿控发动机的静态特性,包括各干扰因素对发动机性能的影响、发动机的极限推力和整机试车推进剂耗量.并以热试车为例,将计算结果与试车结果进行了比较.结果证明,用该模型计算结果与实际试验值偏差完全在可接受范围内.     

姿控发动机试验阀门电流信号采集系统设计

介绍了液体火箭姿控发动机阀门电流信号采集系统的设计要点、研制方法与主要开发过程。较详细阐述了高速数据采集系统应用软件开发及系统集成后的调试方法。该采集系统实现了多路液体火箭姿控发动机试车阀门电流信号的数字化测量。     

空间站150 N发动机双机机组点火温度特性试验研究

为了掌握空间站多机机组发动机点火工作温度特性，对150 N发动机双机机组开展高空模拟热试车，研究单个分机点火、双机同时点火以及机组机架包覆热控组件对发动机工作的影响。试验结果表明:单个分机长时间点火导致不点火分机的氧化剂、燃料路电磁阀温度近似线性上升，平均最大温升速率分别为0.033 ℃/s和0.047 ℃/s。双机同时点火时，中心轴线间距180 mm的燃烧室喉部温度不会受到相邻分机点火的影响;氧化剂路电磁阀温度基本保持不变，斜向安装的燃料路电磁阀受相邻分机热烘烤产生的温升速率为0.018 ℃/s，占总温升速率的比例约35%。双机机组上单个分机长时间点火会对不点火分机头部法兰和电磁阀持续产生热烘烤作用，机组机架包覆热控组件后可以有效降低烘烤的影响。     

阿里安5单组元姿控发动机系统

阿里安5的姿控发动机采用单组元无水肼落压式推进系统,其结构简单,设计可靠性高。该系统的所有组件几乎都是重新研制的。这些组件包括囊式钛合金贮箱、两个400N 推力室模块、隔离阀、流量控制阀、歧管集合器、导管和隔热罩等。本文比较详细地介绍了阿里安5单组元姿控发动机系统、各组合件的结构、和发动机研制过程中所进行的大量试验。     

双组元离心式喷注器10 N发动机偏工况试验

根据国内外同类发动机研制经验,双组元10 N发动机在入口压力为0.8~2.2 MPa范围内,入口压力偏差会使发动机真空比冲、燃气温度等性能产生较大变化。为了获得双组元离心式喷注器10 N发动机在落压推进系统要求的入口压力范围内性能,通过采用小流量喷雾试验台和42 km高模试验台,对偏工况条件下的冷态性能及热试性能进行试验研究。试验结果表明:该发动机额定入口压力1.58 MPa时真空比冲为2881 N·s/kg;当入口压力在0.6~2.5 MPa变化时,对应真空推力从4.7 N增加到14 N,落压比为3;入口压力0.6 MPa时真空比冲为2600 N·s/kg,入口压力2.5 MPa时真空比冲为2956 N·s/kg;入口压力在0.6~2.5 MPa试验范围内,发动机燃烧室壁温均低于材料许用温度,表明发动机热设计优良,可满足双组元落压推进系统对姿控发动机的性能需求。     

固体姿轨控发动机动态推力补偿

作为实现导弹快速机动响应的关键部件,固体姿轨控发动机的性能需要通过动态多分力测试评价,但由于推力测试台结构复杂,对测试数据补偿提出了更高的要求。本文采用双模态阻尼补偿法开展固体姿轨控发动机推力补偿研究,通过脉冲激励试验获得了主要模态参数,并对脉冲激励和发动机冷流试验数据进行补偿,验证了双模态阻尼补偿方法的可行性和应用效果。结果表明:双模态阻尼补偿效果优于单模态补偿,可以有效恢复动态推力信号。所建立的双模态阻尼补偿,在姿轨控发动机研制中得到了应用。     

150 N气氧/煤油发动机涡流冷却技术试验

为探索百牛量级姿控发动机采用气氧/煤油涡流冷却推力室的可行性,开展了涡流冷却技术的试验验证工作。在理论分析和数值仿真的基础上,完成了150 N气氧/煤油涡流冷却推力室设计。数值仿真结果表明:内旋流区域占燃烧室直径D_c的87.8%,燃烧化学反应发生在39%～81%R_c的环形区域。经热试考核,燃烧室点火可靠,工作稳定,燃烧效率达0.91;形成了有效的气膜冷却,壁面和头部热防护可靠,充分验证了内外双漩涡结构的存在。     

液氧/甲烷燃气发生器试验研究

为了研究液氧/甲烷的点火和燃烧特性,进行了液氧/甲烷燃气发生器热试验研究。介绍了液氧/甲烷燃气发生器热试验的试验装置、试验方案和试验情况,分析了试验结果。试验结果表明燃气发生器设计方案和点火方案可行,点火品质较好,能够在较宽的工作条件下稳定工作,燃烧组织合理,燃烧品质良好,温度均匀性较好,积碳轻微。     

远征三号上面级轨控发动机研制及在轨验证

综述了国内外上面级及其轨控发动机技术发展情况。基于远征三号上面级的任务特点,提出了5 000 N轨控发动机技术方案,着重介绍了5 000 N发动机的地面试验和首次飞行应用情况,总结了远征三号上面级轨控发动机研制经验,供类似火箭发动机研制参考。远征三号上面级5 000 N发动机采用挤压式推进剂供应系统、直流式喷注器、再生冷却方案和复合材料喷管延伸段,具有结构简单、多次启动能力强、双向摇摆角度大等优势,于2018年12月29日进行了首次飞行应用。     

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.