液氧/甲烷轨姿控推进系统集成演示试验

为验证液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统涉及的主要关键技术和安全操作流程,上海空间推进研究所研制了国内首款氦气恒压挤压式液氧甲烷推进系统演示样机。历时3年,演示样机于2021年底顺利完成多轮次地面热试车考核,系统运行平稳,轨/姿控发动机工作协调、产品状态良好。介绍了演示样机的设计方案、研制历程和集成演示试验结果,以及轨/姿控发动机的设计与试验情况。液氧甲烷推进系统累计完成48次/约6000 s系统冷/热态试验考核,配套的5 kN轨控发动机累计完成点火工作40次/1860 s,配套的150 N/25 N姿控发动机累计完成稳态工作1690 s/脉冲点火约1250次。演示样机热试车的成功,标志着我国液氧甲烷空间推进系统实现了从“0”到“1”的突破,为后续型号工程应用奠定了基础,也为我国液体空间动力的升级换代和可持续发展提供了有力支撑。     

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。     

Morpheus液氧/甲烷一体化推进系统研究综述

液氧/甲烷推进剂组合凭借其比冲性能、绿色无毒、空间贮存特性及原位资源利用等综合性能高的优势,被NASA选定为未来化学空间推进的主要发展方向。Morpheus着陆器顺利在肯尼迪航天中心完成自由飞行与自主着陆试验,标志着NASA的液氧/甲烷空间推进技术达到了从单项技术开发走向系统集成应用的新里程碑。介绍了Morpheus着陆器的研制历程与研发模式,针对其采用的液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统,详细介绍了系统构成、推进剂输送方案和供应管路热控方案,以及可变推力主发动机和滚动控制发动机的设计原则、研制历程、涉及的主要技术问题与解决措施等。     

航天动力发展的生力军——液氧甲烷火箭发动机

液氧甲烷火箭发动机具有成本低、性能好、重复使用、维护方便等优点,是极具发展潜力的未来航天动力。北京航天动力研究所在十一五期间开展了60t级液氧甲烷火箭发动机原型样机研究。进行了甲烷液氧气液缩尺喷注器燃烧试验和甲烷液氧液液喷注器低混合比燃烧试验,了解了甲烷液氧的燃烧特性、点火特性等。开展了涡轮泵和阀门等组件适应性研究。研究表明,液氧甲烷发动机燃烧稳定性好,易于维护,是未来航天的理想动力选择之一。     

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明：液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m²时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36...     

气氧/煤油发动机电点火技术研究

根据姿控发动机小结构、多脉冲、快响应的工作特点,研制了国内创新的150 N姿控发动机电脉冲点火技术,为无毒、无污染、高性能、低成本的气氧/煤油非自燃推进剂发动机奠定了基础。给出了航天电脉冲点火器的参数、设计方案和工作原理。地面和模拟真空环境热试车结果表明,气氧/煤油发动机采用电脉冲点火技术方案可行,地面及高空环境中均能可靠点火。150 N气氧/煤油发动机真空比冲可达2 800 N.s/kg,脉冲工作次数大于3 000次,并有较强的脉冲工作潜力。电磁兼容性试验显示,电脉冲点火发动机与箭上控制系统具有较好的电磁兼容性。     

60t级液氧/甲烷发动机起动过程建模与仿真

为制定可靠的发动机起动程序,围绕60 t级液氧/甲烷发动机起动瞬态特性开展了一系列建模和仿真研究.介绍了60 t级液氧/甲烷发动机系统方案,列举了发动机系统仿真模型,搭建了全系统瞬态特性仿真平台.根据仿真结果选取了箱压下点火起动方案,提出了设置甲烷涡轮燃气旁通以降低亚临界两相气阻风险的解决方案.试验结果表明,发动机主要性能参数的计算结果与试验数据一致性较好.     

3000 N液氧/液甲烷发动机方案与试验研究

液氧/液甲烷以其高性能、无毒、易于轨姿控一体化、行星表面资源原位利用等优势已成为国际化学空间推进的主流发展方向之一,对国内外低温液氧甲烷化学空间推进发展和3 000 N液氧甲烷发动机的方案设计和试验研究进行了介绍。方案主要包括总体结构方案,喷注方案、冷却方案、点火方案和燃烧稳定性分析。3 000 N发动机于2017年3月进行了点火热试车,发动机点火全部取得成功,并进行了5 s和10 s稳态试验。燃烧效率约0. 95,推算推力大于2 860 N,地面比冲大于242 s,与设计指标基本相当。     

液氧／甲烷燃气发生器点火方案研究

在对比化学点火、火药点火及电火花点火优缺点的基础上,选取了技术成熟、点火可靠的火药点火用于液氧／甲烷燃气发生器热试。用黑火药点燃固体推进剂的点火药量计算公式估算了火药点火药量,给出了液氧／甲烷燃气发生器火药点火器的其它参数。根据液氧／甲烷推进剂特点,确定了火药燃气-液氧-甲烷依次进入燃气发生器的点火时序。成功进行了4次液氧／甲烷燃气发生器热试,结果表明：液氧／甲烷燃气发生器点火起动过程平稳,点火品质较好,点火方案合理,适于较宽工作条件下的液氧／甲烷点火。     

液氧煤油发动机低温组元两相充填过程研究

制定液氧煤油发动机的起动点火程序时,必须考虑液氧充填燃气发生器氧头腔的特性。为此,建立了一种用于模拟低温推进剂充填和换热过程的动态模型。模型考虑了液相与结构壁面、气相与结构壁面以及气—液两相之间的非稳定换热过程以及气—液两相流动过程。同时,通过分相假设描述了气相对充填过程的影响。仿真结果的准确性已经得到综合热调试验数据的验证。     

双喷管发动机

双喷管发动机象双喉部、双膨胀发动机一样,在先进的天地运输系统中得到验证。改进的航天飞机和全新火箭亦得益于这些先进的发动机。本文将对单燃料、双燃料以及双喷管发动机在设计方面所取得的进展作一总结。双喷管发动机的推进剂为:液氧/煤油/液氢、液氧/液丙烷/液氢、液氧/液甲烷/液氢、液氧/液氢/液氢、液氧/液甲烷/液甲烷、液氧/液丙烷/丙烷以及四氧化二氮/一甲基肼/液氢,发动机推力为889.6～2980.3kN。     

液氧/甲烷燃气发生器试验研究

为了研究液氧/甲烷的点火和燃烧特性,进行了液氧/甲烷燃气发生器热试验研究。介绍了液氧/甲烷燃气发生器热试验的试验装置、试验方案和试验情况,分析了试验结果。试验结果表明燃气发生器设计方案和点火方案可行,点火品质较好,能够在较宽的工作条件下稳定工作,燃烧组织合理,燃烧品质良好,温度均匀性较好,积碳轻微。     

液氧/甲烷发动机评述

简要介绍了国外液氧/甲烷发动机的研究情况。重点论述了甲烷的特点及它用作液体燃料的优缺点。液氧/甲烷发动机具有较高的性能,甲烷有好的再生冷却性能,是一个可供选择的推进剂组合。但由于其密度比冲比液氧/煤油发动机低,使用安全性也不如煤油;性能又比液氧/液氢发动机低,这些都限制了液氧/甲烷发动机的发展和应用。迄今为止,还没有一个液氧/甲烷发动机型号开展研制工作,因而也就不可能有其使用的历史。     

双组元四氧化二氮/肼类推进剂空间点火特性

随着空间技术的开发和应用,使用双组元推进剂的空间发动机得到了广泛的应用,由于缺乏对空间环境条件详细、深刻的认识,因此,对双组元空间发动机在空闻环境条件下多次起动的点火特性需要有一定的认识和了解,以提高我们的设计水平,更好地为拓展发动机空间技术应用领域服务。本报告主要介绍双组元四氧化二氮/肼类推进剂组合发动机的空间点火特性,主要是美国从六十年代以来对双组元四氧化氮/肼类推进剂组合的空间点火特性进行研究的一些结果,尽管这些试验条件与实际情况存在一些差异,但是,对空间发动机设计依然能够提供出有重要参考价值的结论     

国外液氧/甲烷发动机的最新进展

<正>液氧/甲烷火箭发动机具有推进剂资源丰富、可重复使用、成本低、无毒无污染、使用维护方便、综合性能好等优点,世界各国一直未曾停止过关于液氧/甲烷发动机的研究,美国、俄罗斯和欧洲围绕液氧/甲烷发动机开展了许多研究工作。近年来,国外已经出现多个以液氧/甲烷发动机(包括太空探索技术公司的"猛禽"发动机、蓝色起源公司的BE-4发动机以及俄罗斯的RD-0162发动机等)为动力的火箭设计方案,这些设计方案大都具有重复使用特征。     

新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案研究

介绍了国外新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统发展现状,提出了一种新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案,介绍了新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统特点并分析了新型发动机系统关键技术,开展了新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统研究,掌握了主要组件设计技术,获得了活塞泵增压系统仿真特性。     

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。     

液氧/烃三组元推进剂助推发动机的设计思想

讨论了液氧/烃三组元推进剂助推发动机的设计思想,这种液氧/甲烷助推发动机的初步设计还使用了液氢.试验表明,液氧/甲烷/液氢三组元推进剂发动机具有燃烧稳定、燃烧效率高、冷却性能好、能与铜合金燃烧室壁很好兼容等优点,因而可消除或大大减少设计可重复使用的高压烃类助推发动机时可能出现的风险.     

运载火箭气氧/煤油姿控发动机技术研究

为实现空间推进系统的无毒、无污染、低成本、高性能和高可靠性,在国内首次研制了运载火箭辅助动力系统气氧/煤油发动机。以推力150 N的气氧/煤油发动机为研究对象,给出了点火、喷注器及身部冷却、阀门等的设计方案。介绍了研制中突破的小姿控发动机电脉冲点火器、气/液组合的有效混合、发动机稳态工作时的烧蚀,以及高空真空点火等关键技术。计算了气液两相流稳态燃烧流场并进行了氧化剂路气流试验。地面热试车和高空模拟热试车的结果表明,电脉冲点火器可实现发动机的可靠点火,采用同轴离心式内混合喷注、铌合金液膜辐射冷却方案的该气氧/煤油发动机真空比冲可达2 800 N.s/kg,脉冲工作大于3 000次,但真空中发动机的冷却仍需进一步研究。     

气氧/气甲烷火炬式电点火器燃烧仿真与热试

火炬式电点火是可重复使用液氧甲烷发动机较为可行的点火方式之一。针对气氧/气甲烷火炬式电点火器开展了燃烧流场仿真和点火试验研究。燃烧仿真结果表明,在混合比接近当量混合比时,仿真结果与理论计算结果吻合较好,混合比富燃程度较高时,两者的偏差显著增大。另外,随着混合比的增大,火花塞所处的热环境逐渐恶化,加大了火花塞被烧蚀的风险...