电控固体推力器研究现状及关键技术

电控固体推力器具有独特的电控能力，能同时满足可重启、可控制推力且结构简单等技术要求，引起了国内外的研究关注。推进剂开发、工作机理探索、推力器结构设计和工程应用是当下研究的热点。本文总结了电控固体推力器的相关研究进展，认为装药结构失效、推进剂自持燃烧以及在大尺寸装药中难以受控燃烧等是限制其应用和发展的主要问题，从推进剂配制、推进剂制备、点火电极设计和推力控制四个方面梳理了电控固体推力器的关键技术，提出了研究建议，并结合推力器的工作特点和应用背景展望了发展趋势。     

15:1气氧/煤油变推力火箭发动机设计及试验

为了进一步提高变推力火箭发动机推力调节水平、拓宽推进剂使用范围、提升调节控制的技术能力,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款基于机械定位双调系统的气氧/煤油变推力火箭发动机,对变推力发动机的性能、针栓式喷注器的性能和机械定位双调系统的调节效果进行了研究。结果表明:气氧/煤油变推力火箭发动机在0.26～4.35MPa室压实现稳定燃烧,推力变化为57.30～864.70N,推力变化比达到15:1,最高燃烧效率达到97.14%;流量调节阀可精确调节推进剂流量,针栓式喷注器可主动控制喷注压降,达到机械定位双调系统的预期目标,展现出采用机械定位双调系统的该型变推力火箭发动机在深度变推力技术应用的优势。     

固体推进剂降压熄火及组分的影响

固体火箭发动机缺乏适应性这一主要缺点可通过可控熄火来弥补。如固体火箭发动机的关-开控制,需要中止燃烧,而同时又必须留有推进剂装药,为重新起动准备条件。同样,在火箭已经达到所希望的速度时完成发动机关车,也需要燃烧中止的方法。此外,火箭在级分离时要求推力在大约10～20毫秒内中止,否则未经控制的压力拖尾在级分离时危害特别大。因此固体火箭发动机关闭及重新起动的能力会大大增加其适应性,以利于使用。     

复合固体推进剂的破坏过程(反复拉伸产生的破坏能量)

在固体火箭发动机的研制中,为了确定固体推进剂的破坏标准,有必要研究其破坏过程。从这种观点出发,本文把破坏过程作为一个研究课题。我们选用了含有细颗粒填料的大推力可控型固体火箭发动机用CTPB(端羧基聚丁二烯)系复合固体推进剂。通过多次反复拉伸试验,弄清了它的应力-应变特性、破坏能等力学性质。实验结果表明:不仅对固体推进剂的破坏过程有了新的认识,而且在预测试验用推进剂的物性、强度方面也得到实际应用。     

关于固体推进剂燃烧不稳定性研究

本文介绍了英国火箭推进研究院进行固体推进剂燃烧不稳定性研究的工作计划。 文中讨论了数据采集和处理的技术,并例举了实用发动机燃烧的不稳定性。还描述了研究不稳定性的发动机和测量在振荡压力和速度条件下固体推进剂试样的燃烧速率系统。给出一些实测结果的例子。     

高燃温喉栓式变推力固体火箭发动机试验

为研究高燃温推进剂下喉栓式固体火箭发动机推力控制,设计同轴式变推力固体火箭发动机试验系统,以混合式直线步进电机作为喉栓驱动系统,采用组合动密封方式,利用高燃温高压强指数推进剂进行点火试验,实现了燃烧室压强从12.1～2MPa的调节。试验结果发现喉栓头部烧蚀严重,对压强调节影响较大,针对喉栓烧蚀问题提出了减轻烧蚀思路,通过闭环控制方式控制喉栓运动,增加喉栓直径以及合理选择推进剂等可降低喉栓烧蚀,提高压强控制精度。     

电控固体推进剂热分解和燃烧性能研究

针对能实现多次启动和推力可控的固体火箭发动机需求,研究了成型过程快、钝感、电控性能好和贮存稳定的离子盐电控固体推进剂(ECSP)热分解和燃烧性能。采用同步热分析仪(TGDSC)、钨铼微热电偶、单幅照相技术和扫描电镜-能谱仪,研究了ECSP的热分解特性、燃烧波温度分布、熄火表面形貌以及元素分布。结果表明:ECSP的热分解过程中依次发生PVA分解反应、PVA分解产物与LiClO4强烈相互作用,其中小组分添加剂加快了PVA分解;其燃烧区域分为预热区、凝相反应区、气相反应区;电点火到稳态燃烧过程为:通入电流加热推进剂,ECSP开始点火,释放出大量的热和可燃性气体,产生初步火焰;热解产生的气相产物在气相区域进一步燃烧,同时大量熔岩状明亮颗粒在热分解气流作用下从燃面逸出,在气相区域燃烧并发出明亮的光。本文提出了ECSP的燃烧过程,为该类推进剂燃烧物理模型奠定基础。     

质量矩固体推进微纳卫星自适应反演控制律设计

为解决微纳卫星利用固体火箭推进器进行快速轨道机动时的姿态翻滚问题,提出了利用质量矩技术对卫星的俯仰、偏航通道姿态进行稳定控制。首先考虑推进剂燃烧、质量块运动等因素引起的系统质量特性参数的变化,建立质量矩固体推进微纳卫星姿态动力学模型;然后分析了推进剂燃烧、质量矩控制引入的系统模型参数不确定性、连续有界未知干扰;随后基于反演控制方法,设计了卫星姿态角和姿态角速度双回路自适应滑模动态面控制器,利用自适应算法调节控制参数估计来补偿不确定因素的影响;基于Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了控制算法的有效性。     

固体火箭发动机和固体推进剂的燃烧研究

本文系作者参加一九八三年六月廿七日至廿九日于美国西雅图召开的AIAA/SAE/ASME第十九届联合推进会议期间所了解到的有关固体火箭发动机和固体推进剂燃烧研究方面的情况。文章重点介绍了:一、不稳定燃烧研究;二、硝胺推进剂的燃烧;三、含铝推进剂的燃烧;四、固体推进剂燃速特性的研究。 近年来,美国为了适应固体火箭发动机研制的需要,通过它的研究机构和大学的研究实验室,继续不断地开展了不少燃烧和点火方面的研究。在这次联合推进会议上,固体火箭发动机和固体推进剂方面的文章有四十多篇,涉及到固体动力装置的各个方面。其中燃烧方面已经发表的文章有十多篇,反映了美国在这方面的研究动向。通过这次会议和会后参观乔冶亚理工学院空间工程系的实验室、斯坦福大学张以棣教授的实验研究工作,以及与宾西法尼亚州立大学Kuo K、K、教授座谈等活动,对美国在这方面的一部分情况有了一个粗浅的了解。现简要叙述如下。     

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数(1.1倍和2.7倍)的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明:在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm～200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm～900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。     

脉冲式膏体推进剂发动机实验研究

以某种不加固化剂的具有流变性的复合推进剂为膏体推进剂的初始配方,研究其在实验发动机中的挤压输运适应性和摩擦安全性,获得了膏体推进剂的粘度与挤压适应性的关系,并对影响该推进剂挤压适应性和摩擦安全性的因素进行了分析。在此基础上完成了脉冲式膏体推进剂发动机的地面热试,成功地得到了两次脉冲燃烧的p-t实验曲线。初步验证了膏体推进剂在使用上的安全性和脉冲式膏体推进剂发动机在推力调节和多次起动方面的可行性,为国内在该新领域的研究奠定了必要的基础。      

带有可调喷注器与文氏管的变推力液体火箭发动机响应特性分析

本文利用数值方法和解析方法对带有可调喷注器和可调文氏管的变推力液体火箭发动机的响应特性进行了分析,讨论了影响此类发动机动态性能的主要因素.最后给出发动机参数的优化结果,并进行了实验验证.     

硼用作推进剂燃料组分的研究

硼是高性能吸气式的固体火箭冲压发动机和冲压发动机瞩目追求的燃料,80年代常规固体火箭动力方面对硼燃料也表现了浓厚的兴趣.本文一般介绍了国内外有关硼粉用作推进剂燃料组分的研究,指出了在推进剂中使用硼作主燃组分,必须解决工业硼粉与推进剂粘合体系的相容性问题、推进剂配方的工艺性问题及硼的燃烧效率问题.而把燃烧效率能提到实用允许的限度,不仅需要对推进剂配方的周密设计,并且更重要的,还需对发动机的合理组织燃烧、优化燃烧参数等做精心的设计.     

激光推进原理与技术

激光推进是激光技术与航空航天技术同时得到较大发展后，于７０年代初提出来的一种全新的推进方式，激光推进可以同时克服化学推进中自然燃烧极限的限制和核能推进中推力／质量比率低的缺点，可以获得以２００００Ｎ．ｓ／ｋｇ的比推力，推力／质量比率为化学推进的典型值。文中报道了激光推进的基本原理与技术，发展概况，主要问题及应用前景等。     

液体烧蚀激光推进推力形成机理实验方法

为揭示液体烧蚀激光推进推力形成机理,提出了一种有效的实验方法,即建立推力加载过程与流场演化过程的时间关联性,寻找物理现象与推力特征之间的关系。为实现这种方法,建立了一套基于高速相机和高频响压电式力传感器的实验系统,并实现对激光器、闪光仪、高速相机和推力信号采集系统的工作时序的精确控制。实验结果表明,与国外相关文献提供的实验系统相比,依据本方法所建系统可以提高实验研究效率和精度,为分析液体烧蚀所形成推力的机理提供了一种可靠的实验方法。     

电推进在静止轨道空间碎片减缓中的应用

研究了电推进在静止轨道空间碎片减缓中应用的可行性和效果。通过分析电推进中离子推进的技术特点、发展和应用,阐明了用电推进将静止轨道卫星在寿命末期移高到“垃圾轨道”是可行的。提出了电推进采用沿飞行方向的常值推力,以多次双脉冲变轨方式工作的方案,并通过仿真计算,得出了该方案中推力大小、工作时间、特征速度、燃料消耗量等参数的确定方法和量化性指标,验证了电推进应用在空间碎片减缓中的作用和效果。探讨了电推进以脉冲方式工作的工程实现方案．     

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

Transient flow characteristics and performance of a solid rocket motor with a pintle valve

The pintle valve is currently the most promising technology among all thrust control methods for solid rocket motors. Pintle structure and working condition play a critical role in the successful operation of a pintle motor. Here, 2D transient simulations of a pintle motor using dynamic meshing are performed. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations are solved with the implementation of an RNG k–ε turbulence model. In cold flow test, emphasis is placed on the effect of pintle structure, and in hot flow test, emphasis is placed on the effect of propellant pressure exponent. Validation is performed first by comparing the present results with available cold-test experimental data. This shows that the transient simulations can provide good predictions for pintle motors with a relative error of less than 2% in terms of the chamber pressure. It can be found that, when the gas supply system is different, the working principles and conditions of pintle motors are different. The feedback process in propellant combustion has a significant impact on its operation and the effect on the pintle motor performance of different pintle structures is achieved by different variations in the equivalent throat area. Finally, the pressure exponent is an important parameter in hot flow test and changes of thrust in hot flow test are not monotonic, because changes in the flow field and motor performance are asynchronous.     

文氏管和喷注器双调节变推力液体火箭发动机试验研究

本文通过对装有可调喷注器和可调汽蚀文氏管的双组元变推力液体火箭发动机的设计,试验和理论分析,给出了压力P,文氏管压力恢复比R,喷注器针阀位移h_i,推进剂秒流量G和组元比r,余氧系数α,燃烧效率c及比冲I_s,推力F,稳定性,响应时间t_p等随控制电压信号改变的规律性。     

Criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification

Hypersonic airbreathing propulsion is one of the top techniques for future aerospace flight, but there are still no practical engines after seventy years' development. Two critical issues are identified to be the barriers for the ramjet-based engine that has been taken as the most potential concept of the hypersonic propulsion for decades. One issue is the upstream-traveling shock wave that develops from spontaneous waves resulting from continuous heat releases in combustors and can induce unsteady combustion that may lead to engine surging during scramjet engine operation. The other is the scramjet combustion mode that cannot satisfy thrust needs of hypersonic vehicles since its thermos-efficiency decreases as the flight Mach number increases. The two criteria are proposed for the ramjet-based hypersonic propulsion to identify combustion modes and avoid thermal choking. A standing oblique detonation ramjet (Sodramjet) engine concept is proposed based on the criteria by replacing diffusive combustion with an oblique detonation that is a unique pressure-gain phenomenon in nature. The Sodramjet engine model is developed with several flow control techniques, and tested successfully with the hypersonic flight-duplicated shock tunnel. The experimental data show that the Sodramjet engine model works steadily, and an oblique detonation can be made stationary in the engine combustor and is controllable. This research demonstrates the Sodramjet engine is a promising concept and can be operated stably with high thermal efficiency at hypersonic flow conditions.