可控固体推进技术研究进展

可控固体推进技术是指在基于含能材料为工质的固体推进剂燃烧过程中,借助一定措施使得推进剂的燃烧方式可控,燃速可调,实现推力可随机控制的推进技术。其可对推进剂燃烧状态进行主动控制,有望从根本上解决固体推进剂发动机推力主动、随机控制等关键技术难题。从推力可控实施方案、对应推进剂类别以及其应用技术等方面对当前可控固体推进技术研究进展进行了综述,并对部分可控固体推进技术中的推力可控实施方案提出了建议。     

定量插管浇注工艺装置

国内近年来开展的战术固体火箭单室双推力发动机的研制工作,已经取得了较好的成果。单室双推力发动机具有两种燃速不同推进剂呈前后串联排列、两段装药在助推段工作期间同时燃烧后,续航段继续工作。因此,可以获得两级推力。发动机的两级推力是采用燃速不同推进剂与改变燃面相结合的方法来实现的(即调节Ⅰ、Ⅱ级装药量)为确保发动机装药结构完整性和发动机工作可靠性,从装药工艺上提出如下要求:     

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。     

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.     

单室双推力固体火箭发动机两级推力的最佳选择

从理论上探讨了单室双推力固体火箭发动机中影响其两级推力的主要因素。建立了导弹/发动机一体化设计的优化模型,对一种推进剂实现双推力,双燃速推进剂实现双推力两种情况分别进行了计算和分析。求出了使导弹射程达到最大,又能够在设计中实现的最佳推力方案。     

旋流与炭黑对聚乙烯固体燃料冲压发动机工作性能的影响

为探究旋流与添加炭黑对聚乙烯推进剂固体燃料冲压发动机工作性能的影响,采用实验和数值仿真相结合的方法进行研究。结果表明:在聚乙烯中加入质量分数为5%的炭黑可以提高补燃室压强和温度,增大燃烧室内高温区面积,且对推进剂燃烧效率、发动机工作性能以及发动机燃烧稳定性具有积极作用。与聚乙烯推进剂相比,含炭黑推进剂在无旋工况下可使发动机平均燃面退移速率提高15%,特征速度提高4%,推力提高11%。在旋流工况下,添加炭黑可使推进剂平均燃面退移速率提高29%,特征速度提高8.5%,发动机推力提高22.3%。结果表明:在添加炭黑和旋流的共同作用下,对发动机工作性能提升更加明显。相比于无旋工况而言,旋流的引入有助于燃气与来流空气的掺混,提高推进剂燃烧效率,对推进剂燃面退移速率提升具有积极作用。     

气泡混入液体推进剂——推力振荡、提前熄火

液体推进剂中溶解或混入了气体能引起推力振荡、推力断续或完全熄火。为了弄清气泡引起发动机故障的机理,人们曾提出过种种分析模型,并指出,少量的气泡进入发动机可引起推力振荡,而大量的气泡混入发动机可引起完全熄火。 根据本文分析,可以求得引起发动机振荡和提前熄火的气泡量值,最后对国外某一早期的液体推进剂地空导弹进行了计算,求出了它可能发生推力振荡和提前熄火的气泡量,计算结果与实际飞行完全一致。     

影响液体火箭发动机比推力的因素

介绍液体火箭发动机采用大比推力对提高导弹经济性的作用，论述推进剂性质，燃烧室压力，氧化剂剩余系数对液体火箭机动机比推力的影响及选用范围。     

微小推力冷气发动机动静态性能实验研究

针对所设计的微小推力冷气发动机进行高空模拟试验,搭建了试验系统,并应用推力测试装置测量了发动机不同推进剂下的推力和比冲,得到了发动机的稳态特征参数,当分别以丙烷和氮气为推进剂时,平均比冲分别为83.5s和75.6s.为了获得发动机的动态特征参数,对推力测量装置进行了负阶跃力和正阶跃力动态标定,通过标定数据的对比验证得到推力测量系统的延迟时间为90ms;进而在特定试验工况下,给出了发动机和推力测量装置实际上升时间的计算方法,得到丙烷质量流量为40mg/s时,发动机的上升时间为27.1 ms.     

小推力长时间工作固体火箭发动机C/C喉衬的烧蚀与沉积

针对C/C喉衬喷管小推力长时间工作固体火箭发动机,分别开展了含铝、不含铝两种推进剂状态的地面试验。根据燃烧室压强及发动机推力测试曲线计算了喷管喉径的瞬变值,对比研究了喉衬的烧蚀、沉积过程,指出含铝推进剂发动机C/C喉衬先后经历初始沉积、沉积消融、持续烧蚀、烧蚀与沉积交替四个阶段,而推进剂不含铝时则没有明显的初始沉积与沉积消融。讨论了推进剂配方、燃烧室压强、喷管结构等因素对喉衬烧蚀、沉积的影响,并提出了相应的改善措施。     

航天飞机轨道机动发动机方案探讨

本文提出了航天飞机轨道发动机设计应遵循的原则.对该类型发动机设计中的几个主要技术问题:发动机推力、推进剂选用、推力室冷却、发动机性能等作了分析.文中列举了可贮存的自燃推进剂及液氧/烃类推进剂分别使用挤压式或泵压式等四种方案,并对这四种方案作了详细的说明和优缺点对比分析.     

典型贫氧推进剂固体火箭冲压发动机性能

建立了基于热力计算的固体火箭冲压发动机性能计算模型,针对三类典型贫氧推进剂开展了固体火箭冲压发动机性能分析及变化规律研究。研究结果表明：相同高度和来流马赫数下,随着余气系数的增加,进气道裕度增加,推力系数减小,比冲先增加后减小。相同高度和余气系数下,随着来流马赫数的增加,进气道裕度增加,推力系数减小,比冲减小。相同来流马赫数和余气系数下,进气道裕度、推力系数、比冲随高度的变化不明显。空气总温对特征速度及发动机性能有较明显影响,是性能分析时不可忽略的因素。与碳氢贫氧推进剂、铝镁贫氧推进剂相比,含硼贫氧推进剂当量空燃比适中,比冲较高,推进剂密度大,在工程应用上更具优势。     

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。     

变流量喷注器的设计和性能试验

本文介绍一种同轴环形可变截面喷注器,它用于双组元自燃推进剂变推力液体火箭发动机中,采用环形液流撞击-溅击进行组元的混合和雾化.经过万余秒的热试验证明该喷注器与高硅氧酚醛树脂材料的烧蚀推力室具有良好的相容性;推力变比可达5:1;与L=0.5m的燃烧室匹配,高推力下的燃烧室效率可达95%;该喷注器还具有重复起动或脉冲工作的能力.     

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。     

“尾刺”导弹推进系统

“尾刺”导弹推进系统由发射发动机和主发动机两部分组成。发射发动机壳体材料为300号马氏体时效钢。主发动机为单室双推力装药,壳体材料也为300号马氏体时效钢。主一级药柱直接浇铸在发动机壳体中(壳体由绝热材料进行热保护),主二级药柱自由装填形式,药柱中加有三根银絲。主装药都是加铝粉端羧基丁二烯固体复合推进剂。     

苏联《能源号》运载火箭试飞成功

1987年5月15日,苏联从拜努科尔航天发射场首次成功地发射了《能源号》运载火箭。它是一种大推力通用型新式运载火箭,高60m、最大横向尺寸约20m、芯级直径8m。《能源号》为二级火箭,并联安排,有效载荷采取侧装方式。《能源号》起飞重量在2000t以上,向近地轨道运送有效载荷的能力超过100t。发动机采用“聚束式”方案,第一级(助推级)有四台发动机分别装在芯级外侧,推进剂为液氧-碳氢燃料,单台推力8000kN。第二级(芯级)由四台发动机组成,推进剂为液氧-液氢,单台推力2000kN。主发动机具有较长的工作寿     

微推力全弹性测量装置

介绍了一种新型微小推力测量装置的工作原理和工作过程,推力测量范围0~200 mN,装置测量精度±1%。针对N2和N2O冷气发动机,模拟空间工作环境进行了地面试验,对发动机工作推力、推进剂流量、压强、真空度等参数进行了测量,给出推力测试结果与理论计算数据的对比。试验证明,推力测量装置工作稳定、可靠,可以精确测量出发动机mN级微小推力。     

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

固体火箭超燃冲压发动机性能试验

为了研究发动机构型、推进剂类型和当量比对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响,选取了3种固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型,分别使用碳氢推进剂和含硼质量分数35%推进剂共计开展了8次地面直连试验。试验模拟了23 km、马赫数5.5的飞行工况,通过测量推力、流量和压力等参数,得出了超声速燃烧室和发动机的整体性能参数,进而研究了发动机构型、推进剂类型以及当量比3个关键因素对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响。结果表明：带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型虽然冷流内阻最大,但试验燃烧效率和比冲性能最优。针对带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型,使用碳氢推进剂的发动机性能整体优于使用含硼质量分数35%推进剂对应的性能参数;使用碳氢推进剂的极限掺混当量比大于0.7,而使用含硼质量分数35%推进剂的极限掺混当量比在0.65附近。这是由于相对碳颗粒,硼颗粒在超声速气流中燃烧组织更为困难导致的。相对于使用碳氢推进剂,使用含硼质量分数35%推进剂的一次燃烧产物更容易在喉部沉积,其燃气发生器压力曲线也存在更多峰值振荡的现象。在所研究的试验当量比范围内,使用碳氢推进剂的燃烧效率峰值约0.82,此时对应内推力比冲峰值约6...