集成模块式发动机系统的流体设计研究

本文对采用集成模块式膨胀循环发动机(IME)方案的流体系统设计研究进行了研究,并证实了该方案的可行性。IME 发动机的主要设计目标是提高推进系统的可靠性。IME 发动机流体系统设计成单容错系统,从而降低了对各流体组件的要求.本研究论述了 IME 发动机方案中高压集流腔、涡轮泵和推力室的设计。勾画了系统结构草图,确定了每一种流体组件、集流腔和推力室的位置。最后,对 IME 发动机系统与非网络(集束式)发动机系统的流体组件系统设计进行了比较。     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

双推力室起动同步性研究

我国新一代大推力液氧/煤油补燃发动机采用双推力室方案,发动机起动时存在推力室点火不同步情况.以500 t级液氧/煤油补燃发动机为研究对象,针对起动时推力室点火不同步问题,对发动机推力室燃料路的控制方案进行了研究.建立了描述补燃循环发动机起动过程的数学模型,搭建了双推力室发动机起动仿真平台.通过对推力室燃料路两种控制方案的对比分析：指出了从降低发动机系统对双推力室不同步点火的敏感程度考虑,采用2个燃料节流阀分别控制各分支燃料路的方案较优;推力室燃料路采用一个燃料节流阀的控制方案时,推力室冷却套流阻偏差不宜大于1 MPa.     

5kN再生冷却发动机推力室传热研究

5 kN摇摆发动机推力室采用再生冷却身部,为检验推力室冷却方案设计的合理性,对5 kN再生冷却发动机推力室进行传热计算,分析了再生冷却的影响因素,并针对发动机设计提出了相应的改进措施,改进后的发动机热试车工作正常,表明了改进工作的有效性。     

性能改进的MON/肼液体远地点发动机设计研究与试验

采用 MON/肼双组元推力室完成轨道机动飞行,肼催化分解推力室用于姿态控制的双模式推进方案越来越广泛地应用于飞行器系统。本文介绍了命名为 LEROS1b,推力652.5N 的高性能液体远地点发动机的设计,研制及试验过程,该发动机已用于许多通讯卫星项目中,并被“火星勘测飞行器”选用。     

三组元火箭发动机推力室试验研究

通过冷试研究了多种喷嘴的特性,总结了工作参数和结构参数对喷嘴性能的影响规律;进行了大量三组元推力室双工况热试,研究了不同工作参数和结构参数对三组元推力室燃烧性能的影响;利用旁通阀方案和液氧可调汽蚀文氏管方案分别成功进行了三组元工况与两组元工况的模态转换试验,实现了大范围工况调节;对三组元推力室内部燃烧和传热过程进行了数值仿真,考察了推力室冷却方案的可行性。     

GH_2/GO_2涡流冷却透明燃烧室方案设计及试验研究

涡流冷却是一种新型的推力室冷却技术,采用该技术可以简化推力室结构、降低成本,并提高系统可靠性。本文在综合国外研究成果的基础上,对涡流冷却技术进行了理论分析,设计出推力室结构,采用石英玻璃加工燃烧室圆柱段部分,并用高速摄影仪记录了燃烧室内的火焰图像。研究表明,涡流冷却透明燃烧室方案是可行的,燃烧稳定段燃烧区域占燃烧室的55%～60%。     

GH2／GO2涡流冷却推力室设计与数值计算

涡流冷却是一种新型液体火箭发动机推力室冷却技术。采用该技术可以简化推力室结构、降低成本,并可提高系统可靠性。对涡流冷却推力室进行了初步设计,并采用PDF非预混燃烧模型和DO辐射模型对所设计的推力室进行了数值仿真。根据计算结果：推力室内部形成了双向涡流;推力室圆筒段壁面温度低于760K;在考虑辐射条件下,推力室圆筒段壁面温度平均升高约140K,最高温度低于900K;涡流冷却技术是可行的,但目前存在燃烧效率相对较低的问题。     

再生冷却推力室的多学科设计优化

以某型火箭发动机的再生冷却推力室为研究对象,建立了关于推力室的几何型面、质量、流动、传热和结构应力的仿真模型,在iSIGHT软件平台上利用基于响应面模型的协同优化算法对其进行了分布并行的多学科设计优化(MDO),优化目标为权衡推力室质量、出口比冲和冷却通道压降的综合改善。改进的计算结果表明了MDO在推力室设计中的可行性和实用性。     

“海星”肼推进系统的水击试验

“海里”肼推进系统是落压式单组元系统,它用于轨道上升和保持。该系统由1个半膜贮箱、1个电爆阀、4个倾斜的4.4N 推力室、2个压力传感器、2个充气阀和1个加注泄出阀组成。最初的系统方案分析表明,在系统启动时存在着推进剂绝热爆炸的潜在失效模式。为了进一步了解系统启动时水击引起的压力骤升程度,进行了一次试验。本文详细介绍了试验系统、步骤和结果。最后根据试验结果给出了针对“海星”推进系统的具体结论和针对小卫星推进系统的一般结论。     

推力室响应特性模拟试验研究

液体火箭发动机推力室响应特性包括起动加速性及关机减速性,这些都是考核发动机性能的指标,其通常结合发动机的热试车进行测量.本文提出了一种间接测量推力室响应时间的方法,即通过测量发动机相关部件的充填时间等参数估算推力室响应特性,然后对该方法的误差进行了分析.文中还介绍了具体的试验方案和试验结果,讨论了本方法的应用效果和发展前景.     

推力室外壁机器人自适应焊接控制研究

针对推力室外壁焊缝坡口进行机器人焊接控制的研究,并基于主动式激光传感器获取坡口参数,通过建立坡口-参数-焊缝的模型来实现推力室外壁的自适应焊接,从而保证推力室焊接质量的一致性。在"静态"研究的基础上,进行推力室焊接过程"动态"坡口结构参数与工艺参数最优匹配的研究,建立了推力室外壁坡口自适应焊接参数模型。结合模糊控制算法搭建了焊接自适应控制系统,完成了推力室模拟件的焊接试验,验证了模型与自适应焊接系统的适用性。针对液体火箭发动机推力室专用S-06,1Cr21Ni5Ti等材料建立了热丝TIG焊接参数计算模型,可覆盖深度5～12 mm的推力室对接坡口。在SIMULINK平台下针对控制响应速度优化了焊接自适应控制系统的调节因子。自适应试验件焊缝熔合良好,X射线检测合格,强度均高于母材强度的90%。     

微型推进系统

采用微型电磁阀,单向阀及肼气体发生器是小型军用外层空间导弹(LEAP)液体推进系统微型化的典型特征。压力控制系统采用质量24克的电磁阀,控制增压推进剂贮箱的氦气流量。姿态控制系统采用质量71克的肼分解气体发生器为姿控系统微型推力室提供气态推进剂。推力室每台推力4.91N,重5.4克。本文介绍了这些微型元件在LEAP研制试验及悬浮试验中成功应用的情况。     

用于航天飞机改进的助推器及液体推进系统方案选择

NASA为满足空间发射需要,要求提高安全性和减少操作成本。本文将分析航天飞机助推器改进型及其推进系统方案以及它们在未来空间发射中的应用。主要是分析航天飞机各种改进方案的优点和液体推进系统。为深入了解航天飞机改进的益处,对其助推器推进系统进行比较,并介绍规范研制和操作成本的评估。     

推力室逆置点火瞬时真空舱流场数值与试验研究

针对高空模拟舱内逆向布置的推力室点火瞬时过程中舱内压力的变化规律进行了理论和数值仿真分析,推力室高速气流的动能是推力室短程点火过程中舱内压力大幅上升的主要原因.为保证推力室点火时舱内的真空度,需要在推力室出口配置导流装置将燃气导出真空舱.对单台和4台并联推力室进行点火试验,试验表明：采用燃气导流能够较好保持舱内真空度,是整机多推力室高空模拟试验的新思路.     

LOX/LCH_4变推力发动机技术初步研究

对国内外变推力发动机和LOX/LCH4发动机的研究进展进行了总结,在此基础上,提出了一种LOX/LCH4变推力发动机系统方案。在深入分析的基础上,对此方案进行了功率平衡和推力室传热计算,结果表明该系统方案完全能够实现10:1推力变比。LOX/LCH4变推力发动机可以广泛应用于多种运载器和航天器中,对我国探月及后续的载人登月工程均可以提供技术支持,对LOX/LCH4发动机的技术发展和未来的载人登陆火星等任务都具有深远影响。     

CBR方法在液体火箭发动机推力室设计中的应用

液体火箭发动机推力室的设计和制造是一项极其复杂的系统工程,其性能参数、结构形式、组织方式、材料等的选择尤其依赖于设计人员丰富的经验和成功研制型号积累的设计知识。为实现对以往设计经验和知识的继承,在推力室的设计中引入了基于案例推理(CBR,case-based reasoning)的方法。基于案例推理的方法作为人工智能领域的一个重要分支,是指将过去对典型问题的求解事例,按一定的组织方式存储起来,积累成案例库,当用户求解某一新问题时,利用该案例库来指导进行求解的一种策略。根据液体火箭发动机推力室的设计内容、设计流程以及设计特点,得出推力室性能参数关系图,并基于案例推理的方法提出了推力室的案例表示方法和案例调整方案,并应用该调整技术实现了具体的案例调整。     

液氧煤油发动机高压推力室冷却技术

针对液氧煤油发动机高室压推力室冷却技术,讨论了多条内冷却环带、人为粗糙度、内壁铣槽结构和隔热镀层等主要技术措施。对带人为粗糙度的平直通道内流动进行了二维和三维时均流数值模拟,分析了人为粗糙度局部强化换热机理。对多条液气膜冷却环带进行了数值模拟,分析了内冷却流量对冷却的影响。研究结果表明,合理设置人为粗糙度和采用冷却环带技术可有效降低推力室局部气壁温,以煤油为冷却剂的高压推力室冷却方案应以再生冷却结合多条液气膜冷却技术为主,综合采取人为粗糙度、高导热材料、隔热镀层等技术措施。     

膨胀循环氢氧发动机低压火炬的点火能量研究

针对膨胀循环氢氧发动机多次点火需求,采用氢、氧推进剂吸热着火和火炬燃气降温放热的假设,用热力计算方法从理论上分析了推力室采用火炬点火的能量问题。在考虑火炬燃气与推力室内的氧补燃后,富燃低压火炬点火器的点火能量能够满足推力室点火需求。研制了2种低压火炬点火试验系统,对膨胀循环发动机进行了17次点火试验,试验结果与理论分析结果相符,验证了补燃点火假设。     

人为粗糙度强化换热机理分析及效果评估

对推力室冷却通道内的人为粗糙度强化换热机理进行了分析,讨论了影响人为粗糙度强化换热的因素。对有、无人为粗糙度的平直冷却通道内流动进行了对比数值模拟,并以某特定发动机推力室为例,初步评估了人为粗糙度的强化换热效果。计算和分析表明：在推力室喉部附近设置人为粗糙度,可使推力室气壁温平均下降约43℃,在冷却通道内合理地设置人为粗糙度有利于高室压可重复使用发动机推力室的热防护。