我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考

重复使用是降低航天发射成本的重要途径之一,是液体火箭发动机未来发展的重要方向。本文分析了可重复使用液体发动机的发展趋势,针对可重复使用运载器对发动机功能的需求,探讨了动力系统方案;对比了液氧煤油和液氧甲烷等推进剂组合和不同循环方式,认为几种发动机方案均可满足重复使用运载器的需求;研究了重复使用发动机的关键技术,提出应重点研究可重复使用液体火箭发动机高温组件热结构疲劳寿命评估及延寿技术、运动组件摩擦磨损技术、结构动载荷控制与评估技术、快速检测评估与维修维护技术、健康监控与故障诊断技术、二次或多次起动技术与大范围推力调节技术等。     

发动机耐用性预估的通用方法

重复使用性是先进的运载火箭的一个基本要求。液体火箭发动机寿命预估已成为这些系统研制的主要问题。本文论述了发动机随工况、飞行次数和工作时间变化的酎用性预估方法。该方法的主要依据是研制试验的失效数据或非失效组件的结构分析。该方法可用于评估发动机寿命和功率权衡,并且评估提高寿命的改进措施。     

固体火箭发动机寿命预估方法研究进展

综述了俄、美固体火箭发动机寿命预估的主要方法;梳理了现阶段国内固体火箭发动机寿命预估方法的研究进展,总结了固体火箭发动机寿命预估方法要点("一个判据,两个模型,三个一致"),主要失效模式,药柱、推进剂、粘接界面的失效判据和寿命评估方法;指出了固体火箭发动机寿命预估下一步的工作重点,即在发展固体发动机监检测技术获取寿命评估数据的基础上,研究失效机理、明确失效判据,完善寿命评估模型;之后,从安全使用角度,提出了当前固体火箭发动机寿命预估急需解决的4个问题;最后,对我国固体火箭发动机寿命评估进行了总结和展望。     

以RD——0120发动机为基础的可重复使用火箭动力装置

美国和俄罗斯在国际上首先开展了低成本运载有效载荷到轨道的研究工作。政府和火箭承包商正在论证和研究未来低成本运载火箭的关键特性,低成本运载火箭的两个关键特性是火箭的可重复使用性和火箭发动机的可操作性。由化学自动化设计局设计生产的 RD—0120 LOX/LH_2发动机已经分析验证了的高性能和先进的可重复使用性,使它成为可重复使用运载火箭(RLV)动力装置的关键候选对象之一。这个高室压(21.86MPa)、高性能(真空比冲4466.9m/s,真空推力1961.67kN)的分级燃烧发动机已经在能源号重型运载火箭上成功地完成了两次飞行。研制期间,发动机的长寿命、推力范围、节流和连续工作时问等特性都经过了验证。这些都是低成本、高可靠、可重复使用推进系统的要求。双组元的 RD—0120发动机通过更换富燃预燃室和增加一个煤油涡轮泵也可以很容易的改造为一个可靠的低成本三组元发动机。为了验证这个双组元发动机高的可操作性和可重复使用性,一个由航空喷气公司、化学自动化设计局和 NASA 马歇尔空间飞行中心合资生产,用于可重复使用运载火箭和单级入轨火箭动力装置的国际计划及三组元发动机可能的关键特性设计正在进行。本文对现在的 RD—0120发动机可操作性和重复使用性的改进进行了阐述。而且对如何更进一步地改进,使 RD—0120发动机成为可重复使用运载火箭推进系统的理想候选对象进行了研究。另外,已经草拟了研制三组元的 RD—0120发动机的研制计划,主要是一个高置信度的飞行演示火箭。     

可重复使用火箭发动机涡轮泵的关键技术

近来,有关空间运输与研究可重复使用火箭各种需求的增加,世界各国正致力于降低费用与提高可靠性的工作。在美国,研制可重复使用火箭“冒险号”以替代航天飞机,其二分之一缩尺模型“X-33”计划1999年进行第一次飞行。在日本,计划研制可重复使用火箭(RLV)的主要依据是建立在 H-2A 火箭技术之上,在研制空天飞机型 RLV 前,先研制 HOPE-X。计划研制的可重复使用火箭发动机是采用液氢/液氧、推力980.665～1961.33kN,并具有调节能力的发动机。发动机(包括液氢/液氧涡轮泵)的其他要求是工作寿命长,可靠性高。本文就可重复使用涡轮泵提出了一些关键技术。     

可重复使用液体火箭发动机智能减损控制技术

液体火箭发动机减损控制技术是一门横跨控制理论与技术、材料科学、液体火箭发动机技术等领域的新兴交叉技术，是工程上实现液体火箭发动机健康监控系统故障控制功能的核心技术之一。文中主要评述了可重复使用液体火箭发动机智能减损控制技术研究进展，分析了减损控制技术与导弹延寿技术之间的区别，指明了存在的主要技术问题和今后的发展趋势。     

高压推力室冷却设计

本文旨在介绍国外有关烃类燃料作为液体火箭发动机推力室再生冷却的研究结论。综述了先进的冷却设计应考虑的问题。要实现可重复使用,必须采取措施提高推力室疲劳循环寿命,既要有可靠的冷却设计,又要解决内壁被腐蚀问题。文章最后简要介绍了我国新一代高压补燃液氧/煤油发动机冷却设计应考虑的问题。     

独特的双燃料/双膨胀可重复使用火箭发动机

为可重复使用运载器(RLV)设计的双燃料/双膨胀火箭发动机在过去的十几年中表现出色。其高密度推进剂丙烷和液氢燃料使发动机干质量大大减轻,加之尺寸小、质量轻及独特的燃烧室/喷管几何形状和涡轮泵组件使干质量进一步大幅度降低。该发动机的其它设计特征也使其研制,操作费用减至最少。     

重复使用液体火箭发动机结构可靠性分配

针对重复使用液体火箭发动机多次重复使用的特点,以发动机在重复使用全过程中各子系统的可靠性偏差最小为目标,提出面向重复使用全过程的重复使用液体火箭发动机结构可靠性分配方法。该方法以等可靠度分配为基础,以发动机在重复使用全过程中可靠性偏差为目标函数,采用遗传算法进行优化得到分配结果,可在满足发动机使用寿命末时刻可靠性的同时,减小各子系统在中间使用过程中"短板"效应。以某可重复使用氢氧发动机系统为例,给出了具体分配方法,相比于等可靠度分配法,所提出的分配方法得到的各子系统在发动机工作过程中的可靠度偏差下降35%,验证了该方法的有效性。     

航天运载器重复使用液体动力若干问题探讨

重复使用是大幅度降低航天运输成本的主要途径,动力系统的重复使用是关键,也是首先要解决的问题。目前重复使用运载器动力装置发展的主要途径是研制重复使用、低成本的液体火箭发动机和开发以水平起降一级动力装置为目标的组合循环发动机。液体火箭发动机的重复使用应革新设计理念,从设计方法、推进剂选型、材料选取及能力的适度运用、生产工艺、维修等方面综合考虑。基于组合循环动力的水平起降飞行器是降低运输成本的重要途径,也是重复使用运载器发展的重要方向,应借鉴航空发动机等动力重复使用设计理念,在方案研究和关键技术研究阶段就考虑重复使用问题。     

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。     

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。     

氢氧火箭发动机组件研制阶段可靠性技术综述

氢氧火箭发动机是火箭的"心脏",必须具备极高的可靠性,才能够保证发射成功.国内外针对氢氧火箭发动机开展了大量的可靠性工作.在发动机的研制阶段,通常是按照自下而上的思路,从组件的失效机理出发,开展稳健设计和试验验证,来保证氢氧火箭发动机的高可靠性.组件的可靠性工作主要是基于失效机理开展分析、监测、试验验证和设计改进;同时...     

火星环绕器推进系统建模与可视化研究

针对液体推进系统的联合仿真演示需求,基于模块化建模思想,根据守恒方程和状态方程,应用AMESim开发了通用液体火箭发动机组件模块库并建立了推进系统仿真模型,利用Simulink和LabVIEW开发了仿真控制模块和视景仿真模型,搭建了全系统联合仿真环境与平台.结合某型火星环绕器推进系统的任务要求以及具体构成,实现了该火星...     

液体火箭发动机低成本设计技术

简要介绍了国外液体火箭及其发动机的低成本研制现状,重点论述我国液体火箭发动机低成本设计,尤其是发动机系统、发动机重要组件的结构简化及可靠性设计经验.发动机系统优化与简化设计方法确保了系统简单、零组件数量和组件品种减少,操作性方便.关键组件的预先研究和新型密封结构设计提高了发动机的可靠性.指出低成本设计是降低发射费用的重要措施之一;液体火箭发动机低成本研制应从系统设计着手,力求系统简单可靠;对于要求特殊和薄弱环节的结构运用创新和关键技术攻关得以实现.     

我国大推力补燃氢氧发动机研究进展

氢氧火箭发动机因具有很高的性能,在国内外运载火箭中得到了广泛应用。为了更好地开展深空探测,必须研制大推力氢氧火箭发动机。本文综合分析了国内外氢氧发动机的发展历史和现状,简要介绍了我国220 t补燃循环氢氧发动机方案和关键技术研制进展,该技术方案先进。通过开展试验件冷态试验和缩尺组件热试验等,研究了核心部组件的关键技术和方案选型。开展全尺寸预燃室热试验等分系统热试验,研究组件级技术,初步突破了部分关键技术。建议加快开展大推力氢氧发动机工程研制,促进我国航天推进技术发展。     

基于RBCC的天地往返运载器动力方案研究

基于火箭基组合循环发动机(RBCC)的结构组成、工作过程和特点,结合某吸气式重复使用天地往返运载器所提出的动力需求,分析了采用RBCC组合循环发动机作为该运载器动力方案的可行性和动力系统指标,设计并计算了RBCC组合循环发动机在各个工作模态下的性能参数.针对相同的运载器使用要求,采用相同的总体和气动力参数,通过飞行弹道仿真,计算和比较了采用RBCC发动机和纯火箭发动机两种动力方案的天地往返运载器方案.研究结果表明,相对于纯火箭动力,采用RBCC动力能明显减小运载器的燃料消耗,并增大其航程.     

小推力推进系统起动过程的分析

本文对小推力推进系统各部件建立了数学模型，并对此系统进行了数值计算。计算结果表明，在燃烧时滞较大时，该系统响应较慢，发动机参数的超调量较大，达到稳态所需的时间较长；轨控发动机与姿控发动机共用同一个供应系统时，姿控发动机受燃烧时滞的影响更大。减小燃烧时滞有利于提高发动机在起动过程的响应能力和稳定性。在起动阶段，高室压推进系统比低室压推进系统响应快，高室压轨控发动机的参数能较快地稳定下来，但其超调量较大；高室压姿控发动机虽然响应快，但其超调量大，达到稳态所需的时间长于低室压姿控发动机。本文所得结论为提高小推力推进系统在起动过程的响应能力提供了参考。     

火箭发动机试验红外测温技术应用

目前发动机试验温度参数主要采用接触式测量方法,测温元件直接与被测对象相接触,优点是测量精度高,缺点是试验过程传感器经常损坏或脱落,且高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。根据发动机试验任务的要求和液体火箭发动机试验的特点,结合先进的分布式无接触式测量及光纤传输的技术,设计并建立了红外热成像测量系统。该系统采用无损、无线测量及光纤传输方式,提高了发动机热试车恶劣环境条件下关键部位温度参数的获得率,为全面研究发动机工作过程温度场分布情况奠定基础。