发动机试验富燃气体安全处理技术发展综述

首先介绍了液体火箭发动机试验过程富燃气体的排出方式以及安全处理的必要性。文中总结了国内外最具代表性的液体火箭发动机试验冷氢排放处理所采用的高空排放、火炬烟囱和燃烧池三种不同方式的特点、工作原理和典型试验台的应用情况。重点介绍了惰性气体吹除、被动燃烧和主动燃烧三种富燃燃气安全处理方式及不同富燃燃气处理方式在不同试验台的应用情况。所总结的液体火箭发动机试验过程富燃气体安全处理相关技术可为大推力氢氧发动机试验台燃气安全处理研究提供借鉴。     

富氢燃气与空气低压补燃特性研究

氢氧火箭发动机在飞行过程中排出富氢燃气与周围低压空气发生补燃,直接改变发动机周围的热环境,影响发动机各组件性能。通过试验及仿真研究了不同燃气温度、燃气组分对于富氢燃气低压补燃特性的影响。富氢燃气与空气的低压补燃试验表明:常压下富氢燃气温度高于932 K时发生补燃,低于877 K时不发生补燃;富氢燃气温度高于950 K,环境压力60 kPa时富氢燃气发生补燃,30 kPa时不发生补燃;仿真与试验对比分析发现最大化学反应速率超过10~(-9)情况下能观测到宏观的富氢燃气与空气的补燃现象,燃气温度和氢气含量越高,其与空气发生补燃的临界压力越低。当压力低于10 k Pa时,燃气温度1 200 K,氢气含量87. 4%也无法与空气发生补燃。     

常规推进剂发动机高压富氧燃气燃烧处理方法与试验

针对大推力常规推进剂补燃发动机燃气发生器试验的高压富氧燃气的无毒化排放处理需求,设计了国内首个大流量高压富氧燃气实时燃烧处理装置,实现了某补燃发动机富氧发生器试验燃气的燃烧处理。处理装置采取快速降压和混水补燃的技术方案,首先采用超声速拉法尔喷管和多孔阻尼板,使排气的压力大幅下降,并通过整流装置保证排气流场参数均匀,为下游燃烧室提供低压低速的稳定气流;然后采用分级燃烧室,在燃烧室轴线的不同位置多次喷射混水燃料,实现与富氧排气进行补燃,通过控制混合比和燃烧温度,保证NO_x转化为N₂和CO₂。试验结果表明,处理装置燃烧稳定,结构可靠,排气压降比超过95■,补燃效率超过0.9,实现了无毒化处理能力超过每秒百千克量级。     

氢氧火箭发动机高模试验富氧蒸汽引射仿真

氢氧火箭发动机在高空模拟试验中喷出富氢燃气,其中的残余氢气与倒吸进引射系统中的空气混合容易发生爆炸,为研究富氧蒸汽引射处理氢氧火箭发动机高空模拟试验中残余氢气的技术,采用计算流体力学(CFD)及多步化学反应动力学模型开展单级环形超—超引射器仿真,获得富氧蒸汽引射的平均流场,分析富氧蒸汽引射并发生补燃时超—超引射器的稳态工作特性,并考察富氧蒸汽中氧气含量、富氧蒸汽温度对残余氢气处理效果的影响。仿真结果表明,富氧蒸汽引射并发生补燃时环形引射器在稳态下正常工作;补燃主要发生在引射器混合室和第二喉道前端的剪切混合层;增大富氧蒸汽的氧气含量或温度,可使引射器排气中残余氢气含量降低,增强燃气处理效果。     

深度节流补燃循环发动机系统稳定性研究

补燃循环发动机深度节流过程中,系统参数大范围变化,低工况时喷注器压降和供应系统节流元件压降较低,容易出现推进剂供应系统与热力组件耦合的不稳定问题。针对10∶1深度节流富氧补燃循环发动机,通过Nyquist稳定性分析方法,对发动机全工况范围内泵后供应系统和燃气系统耦合稳定性进行仿真研究。结果表明:富氧补燃循环发动机燃料供应路与燃气路形成的闭环系统在低工况时,稳定裕度较低,改善燃气发生器喷雾燃烧效果以缩短时滞、增加燃气停留时间、在靠近燃气发生器位置增加供应系统压降能提高系统稳定裕度。     

富氧预燃室初步试验研究

为了研究全流量补燃循环发动机中富氧预燃室的点火以及燃烧特性，对点火方案和预燃室方案进行了分析。通过对多种预燃室结构形式和点火方式的比较，提出了适合于富氧预燃室初步试验要求的点火方案，研制了热表面谐振点火器并采用间接点火方式研制了氢氧火炬点火器。点火器的试验结果表明氢氧火炬点火器能够多次可靠地点火并生成稳定的点火火炬。由于不受谐振产生条件的限制，氢气和氧气的流量和混合比可以在较大的范围内选择，生成点火火炬的温度范围也很宽。对确定的富氧预燃室方案进行了设计加工，经过三个阶段的热试车，富氧预燃室的关键参数均达到了设计要求，结构无烧蚀，工作可靠，完全可以满足全流量补燃循环发动机系统对富氧预燃室的要求。     

SMC模式下RBCC发动机4Ma工况性能仿真

为研究SMC模式下火箭混合比对RBCC发动机性能的影响规律,完成了氢/氧火箭推力室中心布局、二元定几何结构模型发动机飞行马赫数Ma₀=4、高度H=17 km弹道点流场仿真,获得了不同火箭混合比(MR=2、3、4、5、6、8)及燃烧室长度的推力、比冲性能。研究表明:在火箭燃气富燃条件下(MR<8),产生了正的火箭推力增益,且随着混合比的减小,火箭推力增益增加;二次燃烧过程受火箭射流与冲压主流剪切层掺混主导,在给定的基准燃烧室长度下,燃烧效率随着混合比的提高而增加,且火箭射流与冲压主流的超/超射流剪切层燃烧过程一直持续到喷管出口;通过增加燃烧室长度,火箭富燃燃气获得更为充分的燃烧,发动机性能显著提升,但在具体发动机设计中,燃烧室长度的选取需在燃烧效率与结构惩罚之间进行权衡。     

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。     

富氢/富氧燃气温度对同轴直流气-气喷嘴性能的影响

通过求解使用k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组对采用同轴直流气-气单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行数值模拟,对比分析了富氢/富氧燃气推进剂与常温氢气/氧气推进剂条件下的燃烧流场、燃烧室室壁和喷注面板处的燃气温度,研究了富氢/富氧燃气温度变化对燃烧流场和燃烧室热载的影响。数值结果表明:富氢/富氧燃气气-气喷嘴的燃烧性能较好,但热载较高;富氢/富氧燃气温度一定范围内提高对燃烧性能影响不明显,而热载增加。     

同轴剪切喷嘴高频喷注耦合燃烧不稳定分析

同轴剪切喷嘴在大推力氢氧发动机及液氧甲烷发动机上得到了广泛的应用,研究表明,当同轴剪切式喷嘴的中心氧喷嘴喷注过程与燃烧室的声学振荡发生耦合时,容易发生高频喷注耦合燃烧不稳定。高频喷注耦合燃烧不稳定一般无法通过隔板、声腔等传统燃烧稳定装置解决,需要在设计喷注器时采取相应措施。通过求解喷嘴导纳得到了喷嘴的固有声学频率,并与冷态声学试验结果和缩比喷注器热试结果进行了对比,表明吻合较好。研究了氧喷嘴长度、氧喷孔环直径、氧喷前温度和氧喷前压力等因素对氧喷嘴声学频率的影响,结果表明:增大氧喷孔环直径、提高氧喷前压力以及减小氧喷嘴长度、降低氧喷前温度可以提高氧喷嘴声学频率。     

我国大推力补燃氢氧发动机研究进展

氢氧火箭发动机因具有很高的性能,在国内外运载火箭中得到了广泛应用。为了更好地开展深空探测,必须研制大推力氢氧火箭发动机。本文综合分析了国内外氢氧发动机的发展历史和现状,简要介绍了我国220 t补燃循环氢氧发动机方案和关键技术研制进展,该技术方案先进。通过开展试验件冷态试验和缩尺组件热试验等,研究了核心部组件的关键技术和方案选型。开展全尺寸预燃室热试验等分系统热试验,研究组件级技术,初步突破了部分关键技术。建议加快开展大推力氢氧发动机工程研制,促进我国航天推进技术发展。     

燃气喷注条件对中心支板式固体冲压发动机燃烧性能影响研究

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点，然而在超声速空气流的燃烧室中，如何让燃料更好地与空气掺混，增加颗粒停留时间，在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。提出了一种基于中心支板燃气喷注的含硼固体火箭超燃冲压发动机方案，开展了模拟马赫数6.0、高度25 km来流条件下的地面直连试验和数值仿真研究，验证了该方案的合理性和优势，并获取了燃烧室内的燃烧特性，探寻了固体燃气喷注方式对燃烧室性能的影响规律。结果显示，相比于中心支板喷注方案，侧壁喷注存在总压损失大、反压激波串长度大、进气要求严苛等问题，但能够增强掺混，提高燃烧效率,缩短燃烧所需距离；而在中心支板式固体冲压发动机中，在燃烧室侧壁面引入较小流量的一次燃气，可以增大固体颗粒在燃烧室内的穿透深度，提高燃烧效率和燃烧室性能。     

补燃发动机完全自身起动过程富氧燃气温度控制

为了防止富氧补燃循环发动机在完全自身起动过程中出现烧蚀情况,需要研究降低发生器富氧燃气温度峰值的方法。利用成熟的发动机组件数学模型,建立了发动机完全自身起动过程动态仿真模型,并通过试验数据验证了仿真模型的合理性。基于计算结果,分析了起动过程中发生器富氧燃气温度的变化过程,进一步分析了产生3个温度极大值的原因。通过仿真研究,分析了不同起动参数对富氧燃气温度峰值的影响。结果表明:提高发生器氧化剂流量和减缓发生器燃料流量增速可以降低富氧燃气温度峰值,具体措施有提高氧化剂贮箱压力、减小供应管路长度、提高副路转级阀的作动压力和减小其转级速率。     

用于先进火箭发动机的富氧预燃室

洛克达因公司已成功地设计和生产出了富氧的液氧/气氢预燃室,并在燃烧室绝压为14.1～21.3MPa,质量混合比为117—174,推进剂总流量为14.0～23.6kg/s 的工作范围内通过了热试车考验。按费用低、重量轻、易操作等原则设计的先进的富氧预燃室,其推进剂射流都处在同一个平面上(喷注面),以实现沿不冷却的燃烧室轴线方向的均匀燃烧。在八次主级工作时间为1～5秒的试车中,直径89mm 的富氧预燃室喷注器多次反复地验证了其良好的点火、火焰传播和火焰维持等特性,而且当通过测量计算所得的特征速度效率为99%时,没有不稳定燃烧的迹象出现。此时测得的燃气平均温度从260℃(混合比 I_m—174)到538℃(r_m—117),而且每次试验,各方向热电偶的测量值相差不大于24℃。全尺寸的富氧 LOX/GH_2预燃室的成功热试车证明了全流量补燃循环(Full-Flow Staged Combustion Cycle 简称 FFSC 循环)发动机设计的一个关键启动技术已被突破。本报告总结了富氧预燃室的研究情况并进而对确保可靠地实现点火、火焰传播和火焰维持,使预燃室形成高水平的推进剂混合和质流的均匀性的喷注器进行了设计分析。     

后置燃气发生器的新型固冲发动机工作过程数值模拟

进行了后置燃气发生器的新型固体火箭冲压发动机直连式试验,并对实验演示用发动机补燃室三维内流场进行了数值模拟,将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。采用单因素比较分析的方法,研究了一次燃气喷射方式与补燃室长度对固冲发动机性能的影响。结果表明,一次燃气喷射角度为150°时的燃烧效率比60°时高14%,补燃室燃烧效率在一次燃气喷射角度为180°时达到最大值;8喷口的燃烧效率高于4喷口;补燃室长度增加,燃烧效率增大,补燃室长度为149 mm时的燃烧效率比99 mm仅高5%。     

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.     

高性能的俄罗斯液氧/煤油发动机NK-33

NK—33液氧/煤油火箭发动机是由萨莫拉国家科研生产联合体——“TRUD”为俄罗斯N—1登月火箭研制生产的。这种四级型的 N—1火箭所使用的发动机均为液氧/煤油火箭发动机,其中30台 NK—33发动机用于第一级,8台与 NK—33发动机类似而面积比更大的 NK—43发动机用于第二级,四台 NK—39发动机用于第三级,一台除带有常平座外类似于 NK—39发动机的 NK—31发动机用于第四级。所有上述的液氧/煤油发动机都是六十年代研制的,均采用一个富氧预燃室产生涡轮燃气,气氧与热煤油经过分级燃烧喷注器在8.964～15.169MPa 绝压下燃烧。NK—33、NK—43和 NK—39发动机可控制发动机簇的推力,并提供火箭的推力向量控制。由于采用高室压,NK—33发动机的设计实现了较高的性能和很轻的结构重量。富氧预燃室的采用,使得发动机有较高的燃烧效率和燃烧稳定性。在预燃室中,全部的液氧以58:1的混合比燃烧,所产生的628.15K 的富氧燃气全部用来驱动涡轮泵的涡轮,然后进入喷注器和燃烧室。NK—33发动机的结构牢固可靠,可实现很高的泵出口压力和14.480MPa 绝压的高燃烧室压力,因此,其面积比可达27:1,可产生2913.57m/s 的海平面比冲和3274.1m/s 的真空比冲。气氧和热煤油喷注器可保证发动机推力降至23%推力水平时仍能稳定燃烧。各次试车之间,无需使用溶解剂清洗 NK—33发动机的零件,也没有发动机零件的碳化现象,这是由于取消了富燃料气发生器和降低推力室冷却套中的煤油温度的缘故。NK—33发动机在用于飞行计划以前进行了充分的试验,共进行了910多次试车,累积点火时间达211,800秒。研制和鉴定完成后,先后共交付了250台 NK—33发动机,可靠性指标达到0.996。已经证实,NK—33发动机是一种高性能的助推发动机。它结构牢固可靠;所采用的技术,到目前为止,未见于美国的发动机。NK—33发动机可凭借低成本和高飞行可靠性改进运载火箭的性能。     

富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。     

220tf补燃循环氢氧发动机研制进展

220 tf补燃循环氢氧发动机设计用于重型运载火箭。通过多方案对比论证,优化确定了发动机采用单富氢预燃室并联驱动氢氧主涡轮泵、推力室与喷管串联冷却的系统方案。梳理了强耦合系统控制、高压大流量燃烧装置、高效大功率涡轮泵等多项核心关键技术。开展了从缩尺到全尺、从组件到分系统的大量攻关试验研究,并最终成功实现了发动机半系统试...     

大推力氢氧发动机关键制造技术

为了满足大推力、大尺寸220 tf补燃循环氢氧发动机的研制需求,针对补燃氢氧发动机推力室、预燃室、涡轮泵、阀门、管路等组合件,开展大推力氢氧发动机的工艺技术攻关,采用旋压成形、扩散钎焊、惯性摩擦焊、增材制造、粉末冶金、精密铸造等工艺技术,实现了220 tf补燃循环氢氧发动机复杂构件的制造; 针对220 tf补燃循环氢氧...