液体火箭发动机喷管冷却槽数字化加工技术

主要针对现有液体火箭发动机喷管冷却槽数字化加工方法与工艺技术存在的精度保证与效率提升难题,在已开发的加工工艺和加工系统的基础上,重点研究了局部光亮面蓝油处理技术,在喷管光亮面均匀涂抹蓝油以降低局部反光程度,局部光亮区域经蓝油处理后的激光测量精度得到改善.激光传感器可靠校准技术,借助于三角形辅助支架安装激光传感器在滑枕端部,保证传感器安装后的位置是固定不变.自动清根加工技术是利用软件生成程序,执行清根程序,人工调整角度分度.在某喷管产品上对上述关键加工革新技术进行了工艺试验验证.通过验证试验,加工后的喷管槽深及壁厚尺寸误差均控制公差范围以内,较好地满足了喷管尺寸精度要求.应用于实际生产中,自动化加工比例提升,零件合格率提升,加工效率提高了30％.     

液体火箭发动机辐射冷却身部材料研究进展

辐射冷却是上面级和空间液体火箭发动机推力室身部最常用的冷却形式,近年来在部分大推力、高性能二级火箭发动机喷管中也得到了应用。辐射冷却身部材料的耐高温性能和密度,直接影响液体火箭发动机的比冲、推重比和可靠性。通过查阅国内外文献,综述了钛合金、高温合金、难熔金属和碳纤维复合材料等材料在国内外液体火箭发动机辐射冷却身部中研究和应用情况,结合液体火箭发动机推力室身部燃烧室段和喷管段服役工况,对不同材料特点进行了分析。研究对标未来高性能、高可靠和低成本液体火箭发动机的发展需求,并对近年来发展起来的铱/铼/碳-碳复合材料、低密度铌合金和3D打印难熔合金进行了概述。     

铣槽结构液体火箭发动机推力室壳体热应力分析

介绍了液体火箭发动机推力室铣槽结构热应力的数值分析方法,通过建立液体火箭发动机推力室的流场燃烧和导热理论模型,运用有限体积法考虑液膜冷却计算出发动机工作时的燃气、燃烧室壳体和冷却工质的温度场,将得出的结果作为壳体热应力计算模型的边界条件进行热应力场有限元分析。内、外壁温度的计算数据与实验结果基本相符。     

液体火箭发动机等倾角螺旋冷却通道加工技术

将液体火箭发动机燃烧室的冷却通道设计为斜航线(等倾角螺旋线)槽形，可以大幅度改善燃烧室的冷却性能。斜航线冷却槽的槽宽尺寸较小而槽深尺寸较大，所以无法使用棒铣刀铣削、电化学等加工方式。针对这些特点，提出了五轴控制、四轴联动的数控片铣刀铣削加工方法。由于燃烧室外表面的母线轮廓复杂，手工编制数控加工程序难度大。为了解决数控加工程序的编制问题，研究了斜航线的数学模型，开发了自动编程软件系统。使用该系统，可以生成多种母线轮廓回转体外表面上的斜航线数控加工程序。燃烧室收敛—扩张段的母线斜率变化大，加工难度大，是斜航线冷却通道加工的最典型工件。经过理论分析和实际切削实验，研究了针对该类型工件的片铣刀直径选择、铣削方式和方向、刀具调整和起刀点的设置等多项实际的加工方案。采用上述的一系列技术，已经成功地加工了数十个合格工件。经过两年多的实际生产过程应用，验证了所开发的斜航线冷却通道加工方法的正确性和可行性。这些加工技术的研制成功，对其他相似类型零件的加工亦具有参考意义。     

多孔介质冷却通道在燃烧室中的应用

为了探索多孔介质冷却通道在液体火箭发动机燃烧室中的应用,采用金属粉末烧结法制备了多孔介质,设计了多孔介质通道的流阻和传热特性测试装置,建立了采用多孔介质冷却通道的燃烧室传热预测模型,对具有不同结构参数的多孔介质进行了研究。结果表明:随着孔隙率的增大,多孔介质通道的流阻逐渐减小,换热能力逐渐下降;基于传热模型的预测结果与试验有一定偏差,最大达到25%;相较铣槽通道,多孔介质冷却通道能够在燃烧室中获得更好的热防护效果。     

轻质钛合金喷管在氢氧发动机上的应用研究

为降低发动机质量,提高其推重比,将轻质高温钛合金TA15用于液氢液氧发动机推力室喷管,模拟了全尺寸再生冷却钛合金喷管的工作特性,设计了TA15钛合金铣槽式再生冷却缩尺喷管,采用扩散焊工艺生产了缩尺喷管试验件,成功进行了热试验.试验结果表明钛合金氢再生冷却缩尺喷管在高温富氢燃气环境下能够短时间安全稳定工作,传热可靠,最高气壁温达1 017 K,冷却通道流阻及氢温升实测值与计算结果基本一致.最后简要介绍了钛合金的氢脆特性.     

姿控发动机试验阀门电流信号采集系统设计

介绍了液体火箭姿控发动机阀门电流信号采集系统的设计要点、研制方法与主要开发过程。较详细阐述了高速数据采集系统应用软件开发及系统集成后的调试方法。该采集系统实现了多路液体火箭姿控发动机试车阀门电流信号的数字化测量。     

液体火箭发动机高空模拟试验及环境治理

本文简要介绍了液体火箭发动机高空模拟试验台的结构以及试验的工艺过程、试验装置和测量系统,详细论述了发动机排气的冷却及治理。     

液体火箭发动机喷管内加质流场的数值模拟

本文对将液体火箭发动机涡轮排气引入喷管所形成的加质流场进行数值模拟，求解多种气体混合流动的三维Ｎ－Ｓ方程，预示了加质发动机的性质，结果表明：将涡轮排气引入喷管不仅可以用于壁面的冷却，而且还有利于发动机性能的提高。     

基于模糊推理的液体火箭发动机推力室减损控制研究

在建立液体火箭发动机动力学模型、推力室冷却夹套隔片结构模型和材料损伤模型的基础上,利用模糊逻辑推理知识设计了模糊推理机,构建了模糊减损控制系统这一有机整体。通过仿真计算,在火箭发动机工作100s期间,推力室喷管冷却夹套隔片有一定变形的情况下,研究了其损伤演化过程及损伤分布。     

燃烧室内壁数字化加工技术研究

针对火箭发动机燃烧室内壁型槽复杂、加工效率低和质量不稳定的难题,利用加工中心数字仿真技术,对加工中心整体装配建模,进行数字化加工工艺过程整体仿真,研究五轴棒铣刀加工技术,革新了原有的螺旋槽片铣刀加工工艺方案,提出薄壁螺旋槽燃烧室内壁零件加工中心高效加工工艺技术方案,加工质量显著提高,加工效率提高近3倍,工艺改进后的零件经过装配热试车考核满足要求.     

液体火箭发动机液膜冷却研究综述

液膜冷却是液体火箭发动机的一种重要的冷却方式,具有冷却结构简单、冷却能力强等优点,一般与其他冷却方式结合,实现对发动机的冷却。液膜冷却对发动机的热防护可靠性和发动机比冲均有重要的影响。通过追踪国内外液膜冷却研究现状,从液膜的形成、中心气流对液膜的夹带作用、液膜冷却分析模型以及液膜冷却对发动机性能的影响等方面,梳理了液膜冷却的研究文献,总结了当前研究中存在的不足,并从冷却剂注入结构、中心气流对液膜夹带特性、液体火箭发动机液膜冷却计算方法和推力室冷却结构/技术方案等方面提出研究展望。     

火药起动系统双喉道管路特性分析

起动系统工作特性是液体火箭发动机研究的重点之一。对于采用火药起动器起动的液体火箭发动机,火药起动器后双喉道管路对起动系统的功效以及发动机的起动性能影响巨大。针对火药起动器以及起动器后双喉道燃气管路建立了计算模型,并通过试验数据对模型进行了验证。利用模型计算分析了火药起动器喷管喉部直径、起动器喷管扩张比、起动器及涡轮喷嘴喉径比等参数对火药起动器和燃气管路工作特性的影响。根据管路的工作特性,提出了一种双喉道燃气管路的设计方法。     

运载火箭贮箱壁板化铣旋转设备的设计

根据运载火箭贮箱壁板精密化学铣切减重的技术要求,分析了设计技术难点,通过确定制动电机,计算传动比、线速度,释放扭矩和消除两侧齿轮间隙等,研制了一套专用定位倍式化学铣切旋转设备。采用倍式转动化学铣切,减少了传动间隙,提高了转动扭矩和使用寿命加工精度,确保运载火箭贮箱壁板的精密化学铣切的要求。     

数字式低温液位测量系统

液体火箭发动机试验中,低温推进剂(液氢、液氧、液态甲烷等)的稳态流量是发动机设计的重要参数。目前用自主研制的分节式电容液面计、电容变换仪、采集设备和计算机组成流量测量系统,实现氢氧发动机高空模拟试验及校准试验中高精度稳态流量的测量和实时液位监测。为了提高电容式液位计的测量精度和可靠性,对变送仪表的性能进行了改进。研制了基于FPGA的数字式液位测量仪,测量系统仅由分节式液位传感器、数字式液位测量仪和计算机构成一套完整的解决方案,实现了仪器的智能化和数字化。     

Non-stationary heat behaviour of liquid propellant rocket engines

The transient behaviour of the liquid propellant rocket engine is accompanied by non-stationary heat processes in the combustion chamber, the cooling jacket, and the injector. Based on the analysis of the phenomena, which take place in the liquid propellant rocket engine after cut-off command, the major stages of the curve of the rocket thrust drop were defined. A mathematical model of heat processes is suggested, which includes the calculation of transient heat transfer in the chamber, and the detection of boiling-up of the liquid fuel components in the cooling jacket and in the injector. The determination of the law of the rocket thrust drop and a calculation of the after-effect impulse (AEI) are presented. The calculated transient heat flux the combustion chamber and the transient wall temperatures were compared with experimental data, which were received during starting, and with the impulsive behaviour of the liquid propellant rocket engine.     

一种双钟型喷管液氧/甲烷发动机系统方案

根据双钟型喷管高度补偿特点及技术研究现状,提出了一种双钟型喷管液氧甲烷发动机系统方案,进行了双钟型喷管基弧段及延伸段面积比优化,并与其他系统方案进行了性能对比分析。研究表明,对于地面起动的芯级发动机,采用双钟型喷管是提高发动机综合比冲性能以及运载器有效载荷的有效途径。     

节流阀阀芯型面优化设计

简要叙述了液氧／煤油火箭发动机节流阀阀芯型面优化设计的方法。原有节流阀的流阻特性不满足发动机使用要求,根据系统对节流阀的参数要求,采用分段插值拟合法对节流阀阀芯型面重新进行了优化设计,优化后的节流阀液流试验合格,并通过了发动机热试车考核,其性能完全满足系统要求。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。