航天飞机轨道飞行器RCS主推力室直动阀的设计改进

航天飞机轨道飞行器 RCS 主推力室采用先导式阀(POVs)来控制推进剂的流量。由于先导式阀有些固有的缺陷,因此新研制了直动式阀(DAVs)(参考文献1和2)。根据在所规定的使用条件下无泄漏的密封性、防金属硝酸盐的污染、不受供应管路压力波动的影响、具有足够的结构强度和循环寿命、以及与先导式阀互换性的初步要求提出了各项设计改进。考虑上述各项改进、设计、制造和试验了验证组件。验证组件的试验内容包括振动、响应特性和循环寿命,同时对阀门中装配的关键组件波纹管也进行了寿命试验。本文介绍了设计改进的细节,同时提供了相应的试验数据。     

高性能微型轻质控制阀

当前,由于强调战区导弹防御的结果使 Kaiser Marquardt(KM)公司研制生产出高性能微型轻质控制阀,研制的阀门一般是既用于开/关动作又用于脉冲调节控制气体(13.7～68.6MPa 表压)和各种火箭推进剂(17.8MPa 表压)流量,气体流量可达340.5g/s,水流量可达567.5g/s,而且每种阀门的重量低于90.8g,均为微型,响应特性范围只有1～3ms,本文介绍了最近研制的三种阀门的设计思想和性能参数。     

宇宙飞船推进系统用双锁隔离阀

Marrota 科技管理实业有限公司已设计出一种独特的高性能的锁紧隔离阀,称做双锁隔离阀,该阀能可靠地隔离可贮存推进剂和具有一定压力的气体,而且可以做为推进器阀门在长时间持续燃烧的电弧喷气发动机上使用,如电加热推进装置和固体推进装置。或者在串联复式开关推进装置中做上游阀门.Marrota 双锁致动器采用稀土永磁材料,阀门在锁紧位置(关闭和打开)不需要继续通电。该双锁阀门的特点是无滑动配合,电位置指示器和累积的背压卸荷,阀门结构简单、价格低廉,本文阐述了该阀新颖的设计方法.     

高室压脉冲推力器设计与实验研究

为了检验高室压脉冲推力器的设计并掌握液体N2O／酒精推进剂的点火燃烧规律,进行了实验研究。可移动喷注器的动密封采用O型圈结构,推进剂的流动通道既能保证充填时推进剂的流通,又能保证挤压时不会有回流。冷试结果表明密封效果良好。测定了系统的热试时序,实现了稳态条件下的点火燃烧,燃烧室压力为2．58MPa。由于液体N2O的饱和蒸汽压较高,容易蒸发,积存在燃烧室内的蒸气造成点火压力峰比较高。     

基于正交试验设计的姿控发动机起动特性

基于AMESim模块化仿真软件,建立了姿控发动机仿真模型,采用正交试验设计方法,分析了推进剂黏度、集液腔容积、燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间等因素对姿控发动机起动响应特性的影响。结果表明:起动响应特性指标主要影响因素为燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间,且对阀门间隔时间敏感性最高。室压超调量对推进剂黏性敏感性最低,响应时间对喷注压降敏感性最低。燃烧时滞越大,喷注压降越小,阀门间隔时间越大,发动机响应性能越差。优化喷嘴雾化性能以缩短燃烧时滞,适当提高喷注压降都有助于缩短姿控发动机响应时间。阀门作动时间则尽量保持一致,以缩短起动响应时间。     

航天飞机动力装置中气体发生器的新型组合阀门

Moog 公司空间产品部研制出一种新型的用于航天飞机轨道飞行器辅助动力装置(APU)中的推进剂组合控制阀门,该系统需要一个工作介质为肼的组合阀门,这种组合阀门要求能够承受11MPa 的工作压力且不受压力波动的影响,工作寿命高达450000次以及要求阀门出口能够抵抗恶劣的化学环境的影响。组合阀门的设计难点在于:非焊接零件要求是可以拆御的并且允许返修后重新使用;薄壁零件因受到承压的限制而无法使用;承压焊接零件(线圈壳体)必须能够进行检查。更为团难的是阀门内部螺纹连接件的可靠锁紧问题,因为在组合阀门内部采用通常的打保险或开口销这样的锁紧技术是不合适的。阀座设计采用弹性支承结构,以减小阀门工作时作用在密封面上的冲击力,从而提高阀门在允许泄漏率下的工作寿命,此外,弹性支承阀座还可以产生约1°的补偿角度,使阀芯和阀座之间的密封面紧密贴合。组合阀门有三个阀座密封面采用“金属—金属”密封结构,这种密封结构允许存在一定的泄漏率,还有一个阀座密封面采用“金属—聚四氟乙烯”密封结构,它的液体泄漏率可以做到为零,但其工作寿命降到60000次。四个阀座密封面均有沿介质流动方向的密封泄漏率要求,其中三个阀座密封面还有沿介质流动反方向的密封泄漏率要求。试验结果表明:这种组合阀门的设计是成功的,获得了令人满意的动态特性(阀门的响应时间小于40ms),其中三个阀座的液体泄漏率不到其正常流量的0.04%,而另一个阀座的液体泄漏率为零。此外,组合阀门的工作寿命超出设计寿命的4倍(180万次)。     

SSME标准型主燃烧室设计方案

NASA 的马歇尔航天飞行中心正着手研制一种标准型先进主燃烧室(AMCC)。先进主燃烧室设计方案是将材料、加工、压力、高温、质量以及设计等因素集于一体的设计方案。将先进主燃烧室方案加以修改以满足铸造工艺要求。先进主燃烧室的夹层、进口/出口歧管、进口/出口端冷却剂流动分离器、支架、作动器以及发动机控制器安装架等部件都将采用铸件。先进主燃烧室的一部分铸件外形设计应以满足夹层结构衬套成形方法为前提。用真空等离子喷射衬套的方法现正在进行研究。一九九四年,先进主燃烧室将在航天飞机主发动机技术试验台上进行热试,该试验台是马歇尔航天飞行中心先进发动机的试验装置。     

高性能旋转动密封环设计研究

基于ANSYS软件平台,对高性能旋转动密封环流场进行了数值仿真分析与计算,研究了高性能旋转动密封环圆弧槽槽形结构和圆弧槽几何结构尺寸与密封环液膜压力和剪切应力之间的关系,由此得出了高性旋转动密封环设计准则,采用该准则设计、制造的高性能旋转动密封环通过了坦克专用传动系统密封试验台密封性能和密封可靠性试验考核,试验结果表明,高性能旋转动密封环满足设计与使用要求.     

液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

针对液氧煤油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性这一突出问题,建立了喷注单元的低压高频燃烧不稳定性模拟试验系统,使用气气推进剂。利用相似准则设计了缩比燃烧室,研究了全尺寸气液同轴式喷注器的结构尺寸和工作参数对燃烧稳定性的影响。结果表明,激发高频燃烧不稳定性时火焰变短,燃烧室压力出现大幅振荡并伴随啸叫;喷注器缩进室长度对燃烧稳定性裕量有很大影响并存在相对最佳值。试验结果可以指导发动机燃烧室的燃烧稳定性设计和评估,在发动机研制初期筛选燃烧稳定性相对最好的喷注器结构。     

氧压降对气-气喷注器燃烧过程的影响

开展气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷注器的热式试验研究.通过测量燃烧室压力和燃烧室壁面温度,研究在速度比一定的条件下,氧喷嘴压降变化对燃烧位置和燃烧效率的影响.研究结果显示氧压降变小使推进剂的燃烧效率提高,喷注压降变化对气-气推进剂的燃烧位置影响很小;气-气喷注器的设计可以选取小的氧喷注压降.     

过氧化氢和自燃燃料的双组元发动机研制

使用剧毒推进剂,如N_2O_4/肼类,将会变得越来越困难。一方面,一些环保法规和出于安全方面的考虑使得这些推进剂的价格大大提高;另一方面,这些推进剂在未来的推进系统中的使用也被严格限制。因此,必须使用低毒推进剂来替代以前的剧毒推进剂。比如,采用火箭用过氧化氢(RGHP)和燃料组成的双组元推进剂(以及相应的催化剂)。本文介绍了过氧化氢和甲醇组成的双组元推进剂(采用金属锰作为催化剂)的一些初步的研究工作,包括理论性能估算,点火试验,发动机发展过程,喷注器设计,以及样机试验。     

巡天任务复杂工况下超静平台作动器疲劳寿命评估

为研究超静平台作动器的疲劳寿命特性，以其在轨执行巡天任务时的复杂工况分析为出发点，开展了典型工况下的超静平台物理试验，获取作动器实测载荷数据；采用有限元仿真模型进行疲劳损伤系数计算，根据“累积损伤-临界损伤”干涉模型进行累积损伤建模，推导了基于损伤系数外推的作动器概率疲劳寿命解析模型；利用最大损伤系数对应工况进行试验载荷谱设计，开展作动器疲劳寿命试验获取疲劳寿命分布，结合模型计算给出超静平台上不同损伤系数对应作动器的疲劳寿命评估结果。结果表明，运用建立的方法及模型，能够结合超静平台巡天任务工况，利用基于载荷谱编制的疲劳寿命试验结果，计算出平台上各作动器可靠度随在轨时间变化规律及概率疲劳寿命，可为超静平台作动器等一类在轨工况及载荷谱复杂、多样的空间运动机构提供一种真实有效的寿命评估技术途径。     

液氧/甲烷高压补燃火箭燃烧室研究

采用一台小型推力室对液氧/甲烷推进剂的高压补燃火箭燃烧室进行了实验评估,富燃预燃室和主燃室均单独进行了试验.预燃室/主燃室装置的试验条件是:主燃室压力7—9.6MPa,混合比3.1—3.7.预燃的燃气温度760—1070K,推力范围4.6—6.4kN.试验评估了在使用不同类型的主喷注器和预燃室喷注器时,预燃室和主燃室的燃烧性能、主燃室内的热通量分布以及室壁和喷嘴表面的积碳特性.此外,还推导了表征主燃室燃烧效率的经验公式.实验装置的任何部位均未出现严重的积碳,也未检测到由于室壁的积碳而引起热通量的明显减小.     

小型卫星上贮箱推进剂管理装置的设计及研制方法

商业及科研应用的小型卫星需要费用低的推进子系统。一般而言,这类推进系统仅用于通过反作用飞轮来完成轨道嵌入、轨道控制及姿态控制的飞行任务。这就允许贮箱采用简化的推进剂管理装置(PMD)。本文介绍这种推进剂管理装置的设计及研制方法。推进剂贮箱应该是具有较低费用的装置。它是利用叶片作为推进剂管理装置的全焊接钛结构,贮存30kg 肼(N_2H_4)。这种推进剂管理装置没有活动件,毛细功能组件较少,因此,它能够确保贮箱重量轻,结构简单和费用较低。在低重力和推力室连续工作产生的低加速度条件下,这种叶片式表面张力贮箱能够提供所需要的不含气泡的推进剂。研制工作主要集中在叶片式管理装置,它的关键之处是性能及动态特性。由于重力作用,这种管理装置的主要困难是不能在地面进行试验。因此,必须通过模型及低重力试验来验证。建立稳态及瞬态模型,有助于模拟贮箱在不同流量及推力室工作产生的加速度、瞬态过程时的排液情况。依据相似准则,用中性浮力试验来模拟低重力环境。这种试验最大的好处是没有时间限制,所以能够完成一个完整的排液过程。模拟件设计要考虑模拟液与模拟件的接触角代表了氮/肼/钛的接触角。所有的分析及试验圆满完成,证明这种推进剂营理装置具有满意的性能。     

未来运载器液体火箭发动机推力室技术研究

Astrium的航天基础技术分部(SI)正在研究下一代部分可重复使用和可重复使用液体火箭发动机的相关技术.本文总结了对以下主推力室组件所进行的技术研究工作喷注器、主燃烧室、喷管延伸段.对于高性能分级燃烧循环发动机,先进喷注器的研究重点是气态推进剂的喷注.已经为Astrium的燃烧室设计了能够喷注液氧、冷却剂氢和预燃室热气体的喷注器.另一项工作是低成本喷注器方案研究,使单喷嘴的质量流量为标准喷嘴的四倍.对于主燃烧室,可以预见的可用技术是提高可重复使用推进系统中推力室的寿命.本文研究了一种弹性内衬和一种先进热防护壳体.文中给出了这两项技术的缩尺燃烧室试验结果.另一项主要工作是增加先进高性能胀膨循环发动机燃烧室壁的热传导.本文汇总了不同结构的缩尺燃烧室试验结果.对于喷管延伸段,研究重点是陶瓷基复合材料喷管延伸段,最近对缩尺试验件进行了试验,将燃烧室试验压力提高到8MPa.对于未来的高面积比方案(HARC),最近正在设计一种热量测量喷管延伸段,用于测量在满流和分离流状态下的热传导.     

UDMH/NTO双组元凝胶推力器的初步探索

为了研制UDMH/NTO双组元凝胶推力器,利用理论分析、数值模拟及试验等手段对凝胶流变特性进行了初步研究;根据凝胶流变特性试验数据,利用最小二乘法拟合获得了凝胶流变特性参数;利用数值模拟研究了锥形流道锥角变化对凝胶流变特性的影响;设计了双组元凝胶推力器试验样机并完成了流量特性试验及热试车.结果表明,试验用UDMH/NTO两种凝胶推进剂流变特性较为接近;对于UDMH/NTO凝胶推进剂,通过数值模拟结果确定了最佳的锥角角度,可使凝胶平均表观粘度到达喷孔出口时降到最低;试验样机喷注器的流量特性数值模拟结果与试验值接近,说明该喷注器适合于凝胶的流动及雾化;热试车取得成功,获得了稳态、脉冲室压及结构温度等有效数据.     

阿金纳2000轴向主发动机设计参数和试验结果

目前运载市场需求一种高性能、低成本的泵压式双组元可贮存推进剂发动机,用于一次使用运载器的上面级。本文介绍了大西洋研究公司和空气喷气公司共同为洛克希德一马丁宇航公司研制的阿金纳2000发动机,其推力为67kN。目前阿金纳2000发动机已经成功地完成了一系列严格的试验,原型发动机予98年底顺利通过了60s 的鉴定试验。本文介绍了阿金纳2000发动机系统和主要组件的设计状态,喷注器和燃烧室水试校准结果及各种热试车系列的试验结果。     

全复合材料宇航发动机可行性验证

1982年11月,空军火箭推进实验室成功地进行了由若干先进的部件组成的发动机的高空模拟点火试验,从而完成了全复合材料固体火箭宇航发动机可行性的验证。这次试验使法国欧洲推进公司与美国联合工艺公司化学系统分公司分工合作为期三年的研制工作达到高潮。发动机接近于全复合材料结构,金属部件几乎完全消除,证实了全复合材料发动机的可行性。经过验证的先进部件有:1)凯夫拉—环氧树脂燃烧室的复合材料极性接头;2)轻质的燃烧室绝热层;3)适用于头部满装药且安装在喷管上提供飞行用的环形点火器;4)高性能的 HTPB/HMX 先进宇航发动机推进剂;5)具有无支撑整体喷喉和入口段,以及能直接适应推力向量控制作动器载荷(在未来试验中)的薄壁出口锥的特轻喷管;6)连接出口锥与整体喷喉和入口段的套装式出口接头。     

阿里安-5的上面级发动机

欧洲阿里安-5运载火箭的上面级和使神号航天飞机的推进装置将使用一种真空推力为27.5千牛的发动机,这种压力输送式发动机的预研工作已经结束。热试车表明,用于喷注可贮推进剂的共轴喷注器在性能、燃烧稳定性以及热相容性等方面都能达到设计要求。本文介绍了这种发动机的性能、结构设计和试验等情况。     

霍尔电推进流量调节模块研制及在轨验证

流量调节模块是霍尔电推进系统的关键模块,用于精确控制霍尔推力器的推进剂流量.上海空间推进研究所在多年研究工作的基础上,针对国内首次霍尔电推进空间飞行任务,选用金属多孔材料作为节流器件,成功研制了小型化微流量控制器及具有主备份支路的流量调节模块.本文介绍了流量调节模块设计思路、研制过程中的重要试验和在轨飞行验证情况,并针对后续电推进发展需求,提出流量调节模块的后续发展思路.