氢氧发动机实现单级入轨的优化分析

根据现有材料和技术，分析了给定任务下氯氧发动机实现单级入轨的最小起飞质量。由单级入轨弹道、运载器质量和氯氧发动机性能计算模型，优化得到为实现单级入轨的氯氧发动机基本参数。最后还提出一种渐变式氯氧发动机，用该发动机实现单级入轨，能使起飞质量降低16．7％。     

单级入轨三组元发动机循环方案研究

最近,NASA 的空间运输研究计划评审了未来地球轨道运输要求和2030年之后运载工具的替换问题。三种可选择方案的基础是单级入轨(SSTO)飞行器。这项研究评审了 SSTO 采用新型先进的三组元发动机和氢/氧(H_2/O_2)发动机;确定了发动机的构型和研究方法;为研究发动机的性能还确定了发动机循环方式。目前已完成的工作有:确定各种循环方式的发动机质量,评审了各种循环方式涡轮泵装置的方案,以便进行材料的选择。最后给出了发动机的质量及涡轮的工作温度。     

用于单级人轨的塞式发动机动力循环选择

寿命周期费用分析再次表明:单级入轨可显著降低有效载荷入轨费用.因为没有分级的优势,那么单级入轨火箭就需要非常高的性能和轻的质量。在对可重复使用火箭进行结构分析的过程中,所进行的一项主要研究是动力循环的选择。在普通钟形喷管发动机中,采用的是高室压的补充加注循环如分级燃烧循环或混合式预燃室全流量循环。与燃气发生器循环相比,选择这些循环方式使质量增加,但是可接受的,且性能优于燃气发生嚣循环.在塞式结构中,必须把普通燃烧室的单一圆形喉部分割为许多小的喉部摆放在发动机的周边上.这种结构与普通的钟形喷管相比,需要从中心的涡轮机伸出较长的高压推进剂导管.在分级燃烧循环中,大部分推进剂进行不完全燃烧而且低密度高温燃气需要直径较大的导管.该导管增加的质量抵捎掉了补充加注循环增加比冲所带来的好处,这就促使选择燃气发生器循环.在此将作详细比较研究.     

无积炭富燃煤油三组元预燃室的研制情况

为可重复使用运载火箭和单级入轨而设计的三组元发动机的关键性论证计划作为化学自动化设计局、空气喷气公司和马歇尔空间飞行中心的国际合作尝试正在进行之是。由俄罗斯化学自动化设计局设计和制造并经过飞行鉴定的 RD—0120液氧液氢火箭发动机是三组元发动机研制的基础。现有的富燃双组元预燃室被一个单独的预燃室所取代,该预燃室在单级入轨助推飞行期间,将用三组元(煤油、氢和氧)模式工作,在飞行其余时间,将用双组元(氢和氧)模式工作。可重复使用富燃三组元发动机的最关键设计和可操作性的问题之一是预燃室产生积炭的可能性。化学自动化设计局以前的分析和试验研究表明,将氢加到氧/煤油预燃室里,燃烧过程中会防止积炭的形成。在俄罗斯化学自动化设计局进行的单个模型预燃室的试验已经证实这个概念是正确的。两个不同的喷注器改型已经得出结果:在额定工况工作时,三组元燃烧生成物中无积炭。积炭是在偏离额定工况下产生的,试验表明无积炭工作有一定范围。本文就无积炭工作的单个模型三组元预燃室至今进行的试验进行了报导。     

简讯

获得的理论性能极限大大地提高一步.日本目前侧重于使用这种发动机来推进单级入轨航天飞机和常规的垂直发射运载火箭.LACE基本上是一种氢/氧火箭发动机,它在飞行过程中使用液态空气作为氧化剂.据认为这些发动机可以提高运载火箭的比冲,因为它们省去了常规火箭助推器所必须携带的庞大液氧贮箱.贮箱重量的减少意味着可以放宽发动机的重量要求.     

单级运载工具空间运输主发动机

主要研究新的烃助推器和氢上面级发动机,还对非常先进的发动机进行了讨论.如果研制时间允许,这种先进发动机将不以传统原理来设计.对几种先进的单级入轨运载工具发动机作了比较,并给出分析结果.结果表明,采用这些先进的发动机,火箭净质量可减少约20%.研制某些先进发动机也许并不需要很长的时间.     

运载火箭发动机动力循环综述

对将来的空间运载系统来说,关键是要降低发射成本、提高运载器的可靠性和工作效率。对各种运载器的系统分析结果表明:采用总体结构和推进系统先进的单级入轨运载器能够达到这个目标。本文将介绍所有液体火箭发动机动力循环方式,接着针对各种循环类型的发动机进行运载器/推进系统组合分析,旨在确定将来的单级入轨运载器推进系统和与之相关的热力循环方式。现有的和已提出的具备完成单级入轨任务的发动机动力循环方案在此也做了阐述。     

双燃料地球入轨运载工具的火箭喷管膨胀比分析

可完全重复使用的地球入轨运载工具终将扩大现有运载工具如航天飞机的运载能力,甚至取而代之.我们已对两种运载工具进行了讨论.一种是单级运载工具,另一种是两级平行燃烧运载工具,它们在起飞时都同时采用烃和氢发动机,到达轨道前,烃发动机熄火,由氢发动机推进来爬升到轨道.在以前的研究中,航天飞机主发动机(SSME)是采用氢发动机和双位喷管,喷管膨胀比为40和150.     

近期商用单级入轨飞行器的可行性

讨论了单级入轨火箭推进飞行器,尤其是使用航天飞机外置贮箱和六个航天飞机主发动机的一次性使用飞行器的可靠性和发射费用。减小发动机质量将是方案改进的主要方面。如果低成本、小质量的主发动机研制成功,那么一次性使用 SSTO(单级入轨)飞行器将拥有商用发射前景,而且有利于可重复使用 SSTO 飞行器的研制。     

转换型发动机,一种应用于单级入轨/跨大气层运载器的混合型发动机方案

为了用于单级入轨/跨大气层运载器的需要,提出了一种独特的发动机设计思想。这是一种混合循环的发动机,暂时称之为转换型发动机。它实质上是一种涡轮喷气的火箭(ATR),不过它有一个提供空气和喷射液态氧化剂的特殊入口,通过改变喷射液态氧化剂和进入空气量的比例从0到100％,这样发动机能连续地从空气吸气式模式转变到火箭模式。此外它还可以从转换中必须的喷射过程中得到很大的好处,此过程中进入的空气流提供了有效的冷却。在飞行上升弹道段的很大部分,使得转换型发动机工作在空气吸气式状态,因此它改进了单级入轨/跨大气层运载器的推进剂和载荷的比例。     

泵压式氢/氧液体火箭发动机质量分析

在文献资料研究的基础上,根据泵压式氢/氧液体火箭发动机的实际特点,考虑发动机性能参数及结构尺寸等影响因素,利用理论推导、统计学及面密度等方法建立发动机质量模型。通过对SSME、RD-0120等8台氢/氧发动机质量的计算,验证了质量模型的合理性。为发动机在系统方案论证时,其质量、性能等参数的估算和优化奠定了基础。     

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.     

电动泵压式发动机系统方案与性能评估

提出了一套电动泵压式液体火箭发动机系统方案,编写了发动机评估程序,能够预估给定推力、混合比、室压条件下,发动机比冲及各组件质量。研究结果表明,电动泵发动机适合作为长时间工作的动力;存在与室压相关的临界时间点,系统工作时间大于该时间点时电动泵发动机相比燃气发生器循环质量更轻;室压大于2 MPa,工作时间大于317 s时,电动泵系统具备质量优势。     

新一代运载器发动机

为执行克林顿总统94年8月5号的航天运输政策,NASA 决定研制新一代可重复使用运载器(RLV),主要努力放在单级入轨(SSTO)结构。航天局目前的计划是验证能满足 SSTO 工作性能要求所需要的关键技术。这些技术包括先进的长寿命、低维护防热系统;可重复使用低温贮箱(如铝—锂复合材料和石墨复合材料贮籍);复合材科主结构和贮箱间结构;自动的或独立的检验、发射、飞行控制、制导、导航与健康监测以及先进的推进装置。RLV 的推进装置要求比冲高,可操作性和坚固性好以及高的推重比。NASA 的 RLV 计划将鉴定数种发动机型号,不仅有全低温的(氢—氧)。而且有双燃料的(由烃—氢—氧过渡到氢—氧。)不过,要研制所提出的任何一种全尺寸发动机结构并验证其是否能满足 SSTO 工作的性能、质量、可操作性和坚固性准则,在资源和手段上都是很不够的。     

双燃料单级入轨火箭的性能优化

在LOX/RP—1和LOX/LH2发动机并行使用的单级入轨火箭中,运用最优控制理论使得火箭性能达到最佳。出于简单性和本文只进行理论特性研究方面的理由,对火箭的运动分析没有考虑引力和气动力的影响,文中假定贮箱质量按推进剂总加注量比例计算。对于给定的有效载荷和速度增量来说,最优控制的目标是运载器总质量或干质量最小。分析结果给出了发动机混合比的最优值和烃发动机的最佳关机时间。结果证明:在起飞时,采用烃发动机可以使运载器系统干质量最小;然而,在总质量最小的情形下,运载器仅需要最高的速度增量。文中也考虑了发动机推力水平和质量大小对火箭性能的影响。     

富氧预燃室初步试验研究

为了研究全流量补燃循环发动机中富氧预燃室的点火以及燃烧特性，对点火方案和预燃室方案进行了分析。通过对多种预燃室结构形式和点火方式的比较，提出了适合于富氧预燃室初步试验要求的点火方案，研制了热表面谐振点火器并采用间接点火方式研制了氢氧火炬点火器。点火器的试验结果表明氢氧火炬点火器能够多次可靠地点火并生成稳定的点火火炬。由于不受谐振产生条件的限制，氢气和氧气的流量和混合比可以在较大的范围内选择，生成点火火炬的温度范围也很宽。对确定的富氧预燃室方案进行了设计加工，经过三个阶段的热试车，富氧预燃室的关键参数均达到了设计要求，结构无烧蚀，工作可靠，完全可以满足全流量补燃循环发动机系统对富氧预燃室的要求。     

空天飞行器六自由度数学建模研究

研究了空天飞行器超声速和高超声速飞行条件下六自由度仿真模型,该模型包含了完整的六自由度动力学方程和运动方程。气动力和力矩系数是迎角、马赫数及控制舵面偏角的函数;发动机模型为吸气发动机和变推力火箭发动机的组合推进装置;飞行器的质心;惯性矩是飞行器质量的时变函数。所得结果可以用于未来高超声速飞行器或新一代单级入轨运载器轨迹优化、姿态控制等问题的概念设计和仿真研究。     

分级燃烧循环发动机燃烧室最高室压的计算

讨论泵压式液体火箭发动机分级燃烧循环的各种方案,包括单预燃室和双预燃室分级燃烧循环方案.给出了每种方案最高空压的计算结果.研究表明,双预燃室方案的燃烧室最高压力比单预燃室方案更高.     

三组元液体火箭发动机涡轮泵变工况研究

本文通过对国内外分级燃烧循环发动机和有关单级入轨发动机涡轮泵研究结果的分析,提出了三组元涡轮泵性能参数的限制范围与要求。在低比转数为50的泵机组全流量特性水力试验的基础上,阐述了低比转数泵相对的全流量特性变化规律。分析了几个不同比转数泵的水力试验结果,建立了三组元泵性能特性的数学方程。据此,依据泵的工况调节方法对三组元涡轮泵模式一和模式二下的性能进行了分析计算。     

日本开始研究液化空气发动机技术

日本已经设计和制造了小型的低温火箭发动机,目前正在制造尺寸较大的这种发动机。与此同时,日本还在对单级入轨火箭用的一种液化空气火箭发动机(ALRE)进行基础研究。为了掌握美国航空航天飞机发动机的一些重要技术,日本人希望象几年前参加多国V—2500发动机研制计划一样与美国很好地合作,如果美国邀请日本合作研制的话。