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。     

液氧甲烷重复使用辅助动力系统方案与进展

航班化航天运输系统的应用需求日趋迫切,基于液氧/甲烷(LOX/LCH₄)发动机的可重复使用运载火箭成为国内外研究热点。面向某型运载火箭对一级返回辅助动力系统的需求,提出了基于电动泵的主辅一体化液氧甲烷系统方案和独立挤压式液氧甲烷系统方案,开展了方案比选和应用优势分析,并介绍了液氧甲烷轨姿控发动机和低温表面张力贮箱的研究基础,以及国内首款液氧甲烷轨姿控推进系统集成演示试验情况。液氧甲烷辅助动力系统可以实现全箭推进剂的统一和无毒化,助力运载火箭走向高效及完全可重复使用。选择切实可行的“分步走”策略,优先开展挤压式液氧甲烷辅助动力系统的工程化研制与飞行应用,逐步实现基于电动泵的主辅一体化液氧甲烷辅助动力系统在重复使用运载火箭和低温上面级等领域应用。     

FMMR微推进系统推力测量装置研究

为了对自由分子流微型电阻加热推力器(FMMR)微推进系统的性能进行试验研究,设计了一个基于天平原理的微推力测量装置,装置采用微推力器自重与推力相分离、触点式外接供电和推进系统集成方法,有效消除了供电电缆和推进剂供应管路的影响.结果表明,测量精度可达±8％,能够满足mN级微小推力测量的精度要求;同时,通过对结构进行一定改...     

双组元液体挤压推进系统启动过程时序分析

以四氧化二氮/偏二甲肼(N2O4/UDMH)双组元挤压式推进系统为研究对象,对该系统的启动过程动态特性进行了分析和研究,运用单元法建立了整个推进系统启动过程动态数学模型,采用MATLAB软件中的SIMULINK工具仿真了推进系统启动过程,并得到发动机各阀门打开时序变化对系统启动特性影响的规律。     

过氧化氢电动泵结构设计与分析

面向火箭冲压组合发动机推进剂调节范围宽、调节模式多样的特点,提出以结构简单、控制方法简洁的过氧化氢/煤油电动泵供应系统来替代传统的涡轮泵系统将更具优势。针对高浓度过氧化氢高温不稳定性及相容性特点,开展基于电机驱动的过氧化氢离心泵一体化结构设计,以高功重比为目标进行过氧化氢泵设计分析。聚焦过氧化氢介质受高温易爆的问题,利用离心泵诱导轮后与泵进口之间的压差,设置了过氧化氢冷却通道,控制泵内各生热部位的温度,通过Pumplinx软件对多个状态下泵外特性及冷却流场进行仿真计算。计算结果显示,泵水力特性良好,过氧化氢温度均在安全范围。分析表明,过氧化氢电动泵结构设计方案可行。     

挤压型管接头及挤压工艺

挤压型管接头是将套管接头与导管用挤压而加以连接的管接头。与扩口式,卡套式和焊接球头式相比,此种接头不需焊接,具有许多优点。因为具有连接强度高,密封可靠,装配方便等优点,因而得到新的发展。通过研制实例,就挤压工艺和设备,连接性能和密封性能及其试验结果作了综合性论述。     

变推力液体火箭发动机稳定性研究

本文对采用挤压式推进剂供应和脉冲式控制的变推力液体火箭发动机系统的稳定性进行了研究。理论分析的结果表明,这类变推力液体火箭发动机具有相似的系统结构;在以流量控制元件的位移信号反馈的条件下,发动机系统的稳定性仅取决于控制系统自身;在以燃烧室压力信号反馈的条件下,系统的稳定性准则是系统各部分的特征时间的函数,并且系统各部分的特征时间在稳定域最大的意义上满足一个最佳匹配条件。理论分析的结果得到了实验验证     

燃烧供热热光伏系统实验研究

针对未来深空探测供电需求,设计了一套热光伏发电系统,采用丙烷燃烧器模拟同位素热源,并利用低禁带GaSb电池实现了系统的热电转换。研究了气体流量、过量空气系数、回热器性能、滤波器等对辐射器温度及电池输出功率、系统转换效率的影响。结果表明：电池输出功率随燃气量单调增加,而在一定燃气量下,存在一最优过量空气系数使其达到最大值;同时,回热器和滤波器对辐射器温度和电池输出特性有很大影响;本实验系统可以实现最大输出功率密度0.45W/cm 2,系统转换效率2.8%。     

基于差动气动增压装置的多次启动一体化动力系统特性

高性能、轻质量、小尺寸的上面级动力系统可以为整个任务节省更多的质量和空间,从而增加有效载荷的质量。提出了一种基于差动气动增压装置的多次启动姿轨控一体化动力系统,动力系统由主发动机系统、姿控发动机系统、一体化供应系统等组成。该动力系统的系统级试验验证结果表明:姿控发动机与主发动机可通过共用贮箱实现推进剂的一体化供应; 主...     

基于氢化镁的核电/核热双模共质空间核动力技术

针对未来空间任务对能源和动力日益提高的需求,提出了基于氢化镁的核电核热双模共质空间核动力技术。该技术以一种储氢密度高、热稳定性较好,能够以常温常压储存的氢化镁作为工质,通过核能加热后氢化镁分解成为核热推进可用的高压氢气和电推进可用的单质镁,并结合高效动态热电转换系统,形成大功率核电源、大功率超高比冲核电推进、高比冲氢气核热推进以及大推力镁核热推进多种工作模式。基于氢化镁的多模共质空间核动力技术解决了低温推进剂、气态工质在空间应用时的存储安全性和存储密度低的问题,其具备的多种工作模式能够针对不同任务需求提供相应的能源或者动力输出,提高核动力飞行器任务能力。     

Small cryogenic propulsion unit for upper stage application

The feasibility study was conducted to use the cryogenic propulsion system for the third stage of the future H-1 vehicle. While the $\text{LO}{}_2\text{LH}{}_2$ third-stage mass fraction is less than the current solid propellant third stage, the 50% higher Isp results in a significantly higher payload. Two basic configurations of the new propulsion system were proposed: one pressure-fed system and two pump-fed systems. The first is a pressure-fed system providing a 700 kg thrust at an Isp of 441 sec with restart capability. The second is a pump-fed system, operating on an expander cycle principle. A midget turbopump with a 90 000 rpm shaft speed feeds the thrust chamber which delivers 1 ton of thrust at an Isp of 471 sec. The third proposed system is also a pump-fed design using a unique expander bleed cycle, and delivers a 1 ton thrust at an Isp of 470 sec with a turbopump speed of 80 000 rpm. The results of engine testing predict the performance feasibility of respective propulsion system designs.     

霍尔电推进技术的发展与应用

霍尔电推进具有推力密度大、推力功率比大、比冲高及系统可靠等优点,在20世纪60~70年代突破关键技术、完成空间试验后,在俄、美、欧等航天器上获得大量应用,执行位置保持、轨道转移、轨道调整和深空探测主推进等任务。目前,100 W级到5 k W级功率的霍尔推力器已经实现在轨应用,100 k W功率的霍尔推力器已在研制中。针对未来载人深空探测、GEO卫星、低轨和超低轨卫星及轨道机动飞行器等任务需求,霍尔电推进朝着更大功率包络,更强多模式调节能力,更高性能,更长寿命及推进剂多样化等方向发展。在分析霍尔电推进技术特点和适用任务后,对国内外霍尔电推进技术的发展现状、任务应用等进行了综述,最后对霍尔电推进的发展趋势进行了展望。     

碘工质电推进储供系统设计及实验

霍尔推力器越来越多地用于空间电推进,由于高纯度氙气获取难度大、成本高昂,故需要寻找其他种类的工质代替氙气用于空间推进。碘的升华温度较低,且常温储存时为固态,作为推力剂具有减小系统体积、降低成本等优势,但是适配的储供系统尚不成熟。通过比较碘和其他工质的相关特性,阐明碘作为空间电推进工质的优势,总结了国内外相关实验,说明使用碘作为推进剂的可行性,设计新型热辐射加热储罐,完成了碘工质储供系统的初步实验,对系统设计进行规划。实验结果表明:热辐射加热储罐相比于传统外部加热储罐具有更好的调节性能。     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

电推进飞行试验在轨诊断技术

文章介绍了国外在电推进空间飞行试验或型号应用中采用在轨诊断技术的情况,结合电推进系统飞行性能测量和电推进系统与应用航天器之间相互作用的研究,讨论和评价了电推进在轨诊断技术。     

电推进系统空心阴极产品试验技术

空心阴极是电推进系统可靠性和工作寿命关键部件,空心阴极产品的研制在很大程度上依赖于阴极试验技术的支持。在介绍空心阴极试验分类和试验设备的基础上,从性能试验、验收和鉴定试验及寿命验证试验等方面讨论了电推进系统空心阴极的产品试验技术。     

A performance comparison of ultrasonically aided electric propulsion extractor configurations

As a novel propulsion technology, ultrasonically aided electric propulsion (UAEP) offers a high specific impulse and a high thrust density. In this paper, the effects of extractor grid configuration on performance of a UAEP thruster have been investigated by both experimental studies and numerical simulation. Relationships between spray current and operation parameters, including applied voltage, propellant flow rate, and vibration power and frequency, are explored for different extractor mesh sizes and shapes. Numerical simulation is also carried out for a better understanding of the formation of capillary standing waves as well as the electric field distribution in the acceleration zone. Experimental results show that compared with a circular shaped extractor, a reticular shaped extractor is able to produce a higher spray current. The current density increases with a denser mesh, which agrees well with the numerical simulation results. This phenomenon indicates that optimizing extractors with appropriate shapes and sizes can be an effective way to improve the performance of a UAEP system. A performance evaluation based on hydrodynamic and electrostatic calculations indicates that the present UAEP system can produce a thrust competitive to that of the colloid thruster with an emitter array.     

长时间在轨上面级动力系统关键技术研究

上面级动力系统提供用于变轨所需要的动力，同时提供姿态控制、推进剂沉底、末速修正功能所需要的动力，将上面级和北斗导航卫星一起送入预定轨道。回顾了从早期的上面级动力系统选型论证到后续的关键技术攻关过程，对比研究了泵压式与挤压式动力系统的技术优势，分析了动力系统研制过程中的主要关键技术，并对关键技术的应用情况进行了总结，最后提出了长时间在轨上面级动力系统的后续发展建议。