国外单组元变推力发动机应用与关键技术

介绍了国外单组元变推力发动机的应用现状,阐释了单组元变推力发动机的结构和设计原理,总结了研制和改进过程中的关键技术,主要包括径向双层夹套催化床设计、径向喷注器设计、流量稳定调节技术和催化床空穴控制技术等。美国为火星软着陆研制的MR-80和MR-80B无水肼单组元变推力发动机分别应用于“海盗”号和“好奇”号着陆器下降级推进系统。MR-80发动机可实现275~2835 N变推力调节,推力变比为10∶1,比冲为205 s,呈120°均布于“海盗”号着陆器三角形基座的长边。“好奇”号下降级推进系统由2个高压氦气瓶、3个推进剂贮箱、8台单组元变推力发动机、8台单组元250 N姿控发动机、1个压力控制组件和3个推进剂控制组件组成,MR-80B发动机可产生31~3603 N的真空推力,推力变比达到100∶1,比冲范围为204~223 s。     

Vulcain 2发动机研制进展

Vulcain 2发动机将作为阿里安5改进型运载火箭的动力装置,与现有的阿里安5火箭相比,新阿里安火箭通过提高发动机推力和组元比而使性能更高.新发动机在Vulcain发动机基础上重新设计了氧涡轮泵、燃烧室和喷管扩张段,而其他组件(氢泵、发生器阀、管路和供应系统等)仅作了适应性改进.本文介绍了发动机的试车情况、研制成果以及研制进展情况.     

阿里安5运载器上面级的推进剂阀组件

本文描述为阿里安5运载器上面级研制的独特的推进剂阀组件。阀组件控制到主轴向推力为27kN 的发动机的可贮存推进剂流量。发动机用来对地球同步卫星进行轨道机动调整,因而要求具有再次起动的能力。为了易于实现再次起动功能,发动机控制系统有一箭上吹除系统。阀组件将推进剂流量控制和吹除功能结合为一个紧凑的轻型组。每个阀组件由一个先导操纵的推进剂控制阀、一个先导操纵的吹除阀、一个单向阀和一个冲破膜片组成。冲破膜片将阈组件与推进剂隔开,并允许在使用前长期贮存。阀的驱动流体和吹除工质均为氦气。先导阀为三通电磁阀.用于流量控制和吹除的先导阀是一样的。每个先导阀用微型开关指示位置状态。     

姿轨控发动机试验多阀光学同步测试方法

针对姿轨控发动机试验多个燃气阀启闭响应特性同步测试问题,通过测量激光经燃气阀喷管出口羽流后的透射光强,分析透射光强特征阶跃点来获得燃气阀启闭响应特性。基于该方法研制了六通道光学测量系统,对姿轨控发动机冷态试验多阀开展同步测量,同时获得了冷态试验5～50 Hz控制频率下6个燃气阀羽流光学响应信号。结果表明:5、10、20Hz控制频率下透射光强周期性变化明显,通过对信号进行带通滤波分析,同步获得了多个燃气阀的启闭响应时间,测量结果标准误差小于0.30 ms,同时验证了燃气阀启闭控制效果;但在50 Hz控制频率下,由于燃气阀电磁铁作动较快,燃气阀未完全闭合,因此无法获得燃气阀启闭阶跃变化特征点。该方法为姿轨控发动机试验提供了有效准确的快速非接触式测量方法。     

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。     

自增压系统在轨姿控动力系统中的应用

自增压轨姿控动力系统结合了涡轮泵压式火箭发动机的高性能、轻质量和挤压式推进系统的可重复启动能力。降低贮箱压力和减少惰性气体用量的同时,通过采用紧凑的高压推力室减少了其他组件的结构尺寸和重量。介绍了自增压系统在轨姿控动力系统的应用优势、技术特点、工作原理和目前的技术发展情况,分析了相应的关键技术,并基于目前技术基础,展望了发展的必要性和技术策略及途径。     

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。     

欧洲航天的发动机——法国斯奈克玛公司

法国国营飞机发动机研究制造公司(SNECMA,简称斯奈克玛公司)是一家航空航天动力装置研制生产厂家,在欧洲航天推进领域起着举足轻重的作用。它承担了欧洲阿里安1～4型火箭各级以及液体助推器所用的推进系统的设计和研制工作,为阿里安火箭在世界商业发射市场上抢占领头羊的位置起到了至关重要的作用。到1999年6月为止,由6种型号组成的阿里安4型火箭已生产了120多枚。在新—代阿里安5重型运载火箭项目中,该公司负责研制生产低温主级的推进系统。阿里安5所用的 MPS 固体火箭发动机则是由斯奈克玛公司和意大利菲亚特航空公司的合资公司欧洲推进公司研制和生产的,从而充分利用了斯奈克玛公司在长期为法国战略导弹研制固体发动机的过程中积累的经验。目前斯奈克玛公司还在为阿里安5的改进型火箭——阿里安5 研制ESC-A(使用阿里安4的 HM7B发动机)及后续型号 ESC-B(使用推力147千牛的全新式低温发动机)低温上面级的推进系统。这两种上面级具有很高的通用性,将有利于降低研制成本。除用于运载火箭外,斯奈克玛公司生产的推进系统还用于卫星的远地点变轨、姿态控制和轨道控制。     

长二丁运载火箭二级姿控发动机热控设计及其试验验证

根据长二丁运载火箭姿控发动机的热环境条件和系统对各组件的温控要求,初步制定了姿控发动机主要组件的热防护设计方案。以贮箱和电磁阀为主要热分析对象,用I-DEAS软件建立有限元模型,通过数值仿真计算获得各组件不同时间的温度。计算结果与贮箱和机组组件的地面模拟热辐射环境的热流试验数据进行比较,对设计作改进。最终给出了满足系统设计要求的二级姿控发动机热设计方案。     

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。     

姿控发动机技术成就与发展

国内姿控发动机的研究伴随我国航天事业的发展走过了四十多年的历程。本文概述了我国在姿控发动机领域的研制成就,总结了多年来11所在姿控火箭发动机及其组合件方面的研制经验,提出了今后的发展方向。     

HAN基无毒单组元发动机热控研究

为使某HAN基无毒单组元发动机正常工作,需采用一种高效的热控方式,保证点火前其催化床温度在200℃之上(远高于传统单组元发动机的点火温度)。以该HAN基发动机为研究对象,在制定的热控方案基础上,建立有限元模型,采用I-DEAS/TMG软件对该发动机各部件温度进行计算,之后按照产品状态进行发动机真空热试验,获取发动机重点部位的温度数据。结果表明:除前床后部外,其余位置温度测点的热分析和试验温度误差均小于4℃,认为两者吻合较好,有限元模型可用于之后的在轨温度预示等工作;该HAN基发动机身部采用安装一种新型铠装加热丝组件,而后覆盖不锈钢箔的热控方式,结合支架的镂空结构设计,满足发动机工作的温度要求。     

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。     

基于四元数反馈线性化的飞行器姿态控制方法研究

空间飞行器姿态控制系统是一个非线性多输入多输出系统,其姿控执行机构的布局及工作特性决定了姿态控制的难易程度。针对飞行器以姿控发动机作为姿控执行机构时的大角度姿态运动需求,本文采用单位四元数作为弹体姿态描述,考虑到姿控发动机布局对姿态控制的影响,直接以姿控发动机推力作为系统的控制输入,利用反馈线性化方法,将原非线性系统转化为一个六阶线性子系统和一个一阶内动态子系统。在对内动态分析的基础上,针对线性子系统设计了四元数PD反馈控制律。在转动惯量不确定性以及轨控大干扰力矩存在的情况下,对闭环控制系统进行了大角度姿态运动数字仿真。仿真结果表明,本文所设计的姿控方法能够有效地实现飞行器大角度姿态控制,并对系统参数摄动及外部干扰具有较强的鲁棒性。     

航天姿控发动机减压阀的研究

本文介绍了某型号末修姿控发动机上使用的一种正向卸荷减压阀,阐述了其工作原理、结构特点及设计方法,以及研制过程中出现的问题与解决措施,并对其静态特性及影响调节精度的各种主要因素进行了分析和试验研究。研制的正向卸荷减压阀采用了正向卸荷结构,解决了关键部位的密封问题,该阀调节精度高、稳定性好,常温下出口压力调节精度达到-1.1％～+3％,考虑高低温等各种环境条件下出口压力精度达到-1.6％～+5.4％,性能指标达到国内外同类产品先进水平,本研究成果已成功应用于某型号末修姿控发动机上,参加了各项地面大型试验及上天飞行试验的考核,对保证末修姿控发动机系统调节精度起到了重要作用。     

“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.     

上面级动力系统发动机热控设计及验证

针对上面级动力系统发动机温度需求,设计了发动机热控方案,建立了25、5 000 N发动机热仿真模型,确定了各发动机加热功率及被动包覆方式,解决了加热器尺寸小、电阻值密度大以及热控组件安装方式难等问题,上面级发动机随整箭进行了热试验验证和飞行试验验证。验证结果表明:25 N发动机法兰和5 000 N发动机壳体温度均在5 ℃以上,发动机温度水平和加热功耗均满足系统要求,验证了热控设计的有效性,可为类似发动机热控研制提供一定参考。     

欧洲航天的发动机--法国斯奈克玛公司

法国国营飞机发动机研究制造公司 (SNECMA,简称斯奈克玛公司 )是一家航空航天动力装置研制生产厂家 ,在欧洲航天推进领域起着举足轻重的作用。它承担了欧洲阿里安 1～ 4型火箭各级以及液体助推器所用的推进系统的设计和研制工作 ,为阿里安火箭在世界商业发射市场上抢占领头羊的位置起到了至关重要的作用。到 1999年 6月为止 ,由 6种型号组成的阿里安 4型火箭已生产了 12 0多枚。在新一代阿里安 5重型运载火箭项目中 ,该公司负责研制生产低温主级的推进系统。阿里安 5所用的 MPS固体火箭发动机则是由斯奈克玛公司和意大利菲亚特航空公司…     

海洋卫星水色仪羽流污染DSMC模拟研究

在当前和今后很长一段时间内,我国卫星姿轨控系统都将液体小发动机作为主要推进系统。对于长寿命、高可靠卫星,羽流污染评估具有重要意义,而数值模拟则是有效方法。采用DSMC方法模拟了海洋卫星单组元轨控发动机羽流对水色仪表面可能造成的污染,通过这个算例验证了DSMC方法在羽流污染模拟中的重要作用。假设羽流组分为NH3、N2、H2,水色仪表面温度为100K,计算结果显示在水色仪所在位置发动机羽流造成污染影响最小,可以忽略不计。这表明推进系统选择合理,卫星结构设计合理。     

潜射弹道导弹轨姿控发动机方案选择

潜射弹道导弹对轨姿控发动机结构小型化、使用维护性能和贮存安全性提出了很高的要求.本文分析了各种轨姿控发动机的发展现状和它们在潜射弹道导弹上应用的可能性和局限性,并结合我国轨姿控发动机技术发展水平,提出了未来我国潜射弹道导弹轨姿控发动机发展前景和需重点开展的研究工作.