液体火箭发动机电动泵系统发展及性能研究

介绍了液体火箭发动机电动泵增压系统的发展历程以及电动泵系统核心组件的特点,提出了考虑离心泵效率及电源系统放电特性变化的电动泵系统质量模型。电动泵系统中质量占比最大的组件为电机和电源系统,质量敏感性分析表明离心泵效率对系统质量的影响最大。通过对比不同推力、室压和工作时间下的电动泵系统与涡轮泵系统(燃气发生器循环)质量发现,电动泵系统在不同发动机推力下对应室压极限,低于该极限值时电动泵系统存在质量优势,且该室压极限值随着发动机推力增大而提高。最后,针对电动泵系统进一步减重增效,梳理了各组件涉及的主要关键技术,并提出了发展建议。     

电动泵与挤压式推进系统对比研究

对电动泵和挤压式推进系统进行了对比研究,主要考虑了气瓶、增压气体、贮箱、电池和电机等因素对推进系统的影响,结果表明:相对于传统的挤压式推进系统,电动泵供应系统已经具有明显的优势,而且能够获得更高的综合性能;锂离子电池具有较大的能量密度和功率密度,更适合应用于电动泵供应系统;采用高性能永磁电机能够使得整个推进系统的质量更轻。在实际推进系统设计时,应综合平衡发动机推力、燃烧室压力和工作时间等参数的影响,才能有效地控制电池和电机的质量,保证整个系统具有较高的综合性能。     

新型低压流量定位变推力发动机的研制

本文介绍了流量定位变推力发动机的方案选择、系统结构和研究过程。该发动机用以单片机为主体的数控器控制;取消了常规双调变推力发动机的杠杆系统,依靠液压作动的流量调节阀调节流量与混合比;流量控制的变截面喷注器保持喷注速度。发动机结构简单,质量小。从1989年元月至1992年12月.共生产发动机6台,热试车76次,累计时间1672秒。试车结果表明:发动机工作可靠、性能良好。除最低工况外,阶跃响应时间小于40ms,混合比控制精度为±3%,室压精度为±5%,燃烧效率大于0.90,主要性能指标超过了预定值,达到了目前国际水平.     

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。     

美国正在加紧研制先进的低成本氧/氢发动机

美国正在加紧研究用于单级入轨火箭的先进低成本氧/氢发动机。这项研究确定了发动机的基本构形和地面规则。为了探索发动机的性能,选择了六种不同的发动机循环进行试验研究。这些循环包括一个开式循环和一系列的闭式循环。这些闭式循环可以变更从推进剂抽取驱动涡轮机械的能量。这些循环可以改变发动机所能达到的最大室压和在任意给定室压下发动机的重量。把发动机质量作为室压的函数,对每年循环的发动机质量进行了计算。计算结果表明,应用新的氧氢发动机作为单级入轨的发动机是可行的。最有竞争力的发动机循环是分级燃烧循环,发动机室压的预选方案是27.579MPa。为了便于比较,本文还简单介绍了 RD—704发动机。     

点火建压过程对药柱结构完整性影响试验研究

针对发动机点火建压过程中药柱损伤的问题,建立了一种用于模拟发动机点火瞬态的快速充压系统。该系统通过并联多个快速电磁阀实现气体通道的瞬间打开,选用节流控制阀实现建压时间的调节,在较短时间内使得高压气源与试验发动机气压平衡,实现对发动机点火建压过程的模拟。针对某发动机进行了不同充压速度的试验,获得了对应充气速度下的试验数据和药柱CT照片。结果表明,在试验发动机自由容积和节流孔径不变的情况下,系统建压时间与目标压强无关;建压后压强曲线存在震荡段、平衡段、下降段;系统建压过程中,气流的温度会迅速上升,最高实测温度为205℃;不同充压速度会引起不同程度的药柱损伤。该快速充压试验系统及方法对于药柱损伤评价、固体火箭发动机故障分析和药柱结构完整性研究具有重要意义。     

脉冲爆轰发动机两点点火实验研究

为研究两点点火对脉冲爆轰发动机内爆轰波起爆及传播的影响,开展了脉冲爆轰发动机两点点火实验研究。实验结果表明,两点点火能有效促进脉冲爆轰发动机内爆轰的形成,能大幅提高爆轰波的峰值压力及爆轰波传播的速度。当两点点火源距离为260 mm时,两点点火时间间隔必须大于0.47 ms,爆轰发动机内才能形成促进爆轰发生的有利条件;适当增大两点点火的时间间隔能缩短缓燃转爆轰的距离,缓燃转爆轰的距离从590 mm缩短至420 mm。     

吸气式PDE点火室引入氧气的试验研究

为了改善吸气式脉冲爆轰发动机的爆轰效果,在发动机的点火室内引入了氧气,并开展了系列试验研究,研究结果表明,点火室内引入氧气,提高了吸气式PDE的爆轰波压力与传播速度,缩短了点火起爆的时间,增加了发动机的平均推力,简化了发动机内的强化燃烧装置。与纯空气状况相比,爆轰波压力最大增加了1.28倍、爆轰波传播速度与发动机平均推力的最大增幅分别为69.57%和62.84%,点火起爆时间则相应减少了36.47%。点火室引入的氧气量存在临界值,小于临界值时随着引入氧气量的提高,发动机爆轰效果的改善越显著;大于临界值时,发动机会形成连续燃烧。     

TRW公司的超低成本液氧/液氢助推液体火箭发动机

TRW 公司已经设计、制造并准备测试一台海平面推力为2.89MN 的液氧/液氢火箭发动机.这台发动机的设计给出这样一个启示:对于大型助推火箭发动机,可以通过少量地降低发动机性能而使其制造成本大幅度降低.这种超低成本的助推液体火箭发动机具有极强的生命力。这台泵压式发动机设计的特点是室压低(4.83MPa),从而使发动机主要部件(包括燃烧室、涡轮和供应系统)的成本比高室压设计低得多。这台发动机综合了 TRW 公司论证的针栓式(针阀式)喷注器设计、加衬烧蚀燃烧室/喷管和低成本箔轴承涡轮泵,它们都大幅度地减小了发动机的部件数量、制造成本和试验成本。本文介绍了这台发动机的设计、制造和工作特点,并着重强调了它能大幅度降低发动机制造和试验成本的独有特点。本文还描述了 TRW 公司 Readondo Beach,CA 工厂从计划开始,在不到12个月的时间内设计、制造并组装成功的全尺寸试验样机。     

可贮存推进剂泵压式液体火箭发动机多次起动系统研究

在推力超过一定量级、任务时间较长的情况下,泵压式发动机比挤压式发动机具有明显的技术优势。从国内外上面级及重型空间飞行器推进系统的发展需求来看,均要求其主发动机具有多次起动工作的能力。针对采用可贮存推进剂的泵压式液体发动机多次起动需求,对几种可选的多次起动系统方案进行了比较分析,介绍了起动箱式起动系统的研究情况。