PATR发动机发展历程简介及参数特性分析

介绍了PATR发动机的发展历程,总结了其创新优化思路。针对PATR热力循环方案进行了设计点输入参数影响分析,开展了弹道特性、高度特性和转速特性仿真计算,结果表明:热容比对于发动机性能影响最为显著,热容比k HX 2每增加1,比冲降低0.59,单位推力增加0.39;空气压气机和氦涡轮等熵效率、预冷器空气侧总压恢复系数对发动机性能也有明显影响,空气压气机等熵效率每增加1比冲增加0.12,单位推力增加0.12,其余参数对发动机性能影响相对较小;随着飞行马赫数增加,PATR发动机比冲呈下降趋势,单位推力在外涵开始工作时会产生跳跃式下降,之后基本保持不变;飞行高度增加会使发动机比冲增高,单位推力降低;转速降低会使发动机比冲和单位推力降低,并且内涵和外涵流路共同工作时的降幅明显小于内涵流路单独工作时的降幅。     

加力式空气涡轮火箭发动机特性研究

通过ATR发动机总体性能仿真,研究了加力式ATR发动机特性。将燃气发生器及补燃室的热力计算模块集成到压气机与涡轮的共同工作点非线性气动热力模型中,计算考虑了变比热容影响。仿真结果表明,注入加力推进剂可有效提高发动机比推力,但比冲会降低;加力ATR发动机性能与设计点参数、设计点有无加力及加力推进剂流率大小有关;发动机需精心匹配,以保证补燃室内二次燃烧的混合气组分有较高的焓值和合适的余氧系数,从而获得较高的发动机性能。在非设计点上,对于调节计划为相对转速不变的加力ATR发动机而言,在尾喷管喉部面积不变时,需同时调节涡轮燃气发生器和加力推进剂流量,发动机为双变量控制。     

闭式循环的动力装置

涡轮工质进入燃烧室,并在优化的混合比条件下补充燃烧的装置,称为闭式循环动力装置。对闭式循环的动力装置,由于驱动涡轮的推进剂流量全部进入燃烧室,所以没有推力损失,即闭式循环动力装置的比冲等于发动机的比冲。这种闭式循环动力装置可以充分利用箭体上所有推进剂的化学能来产生推力。     

空气涡轮火箭发动机起动过程推进剂供应及尾喷管面积变化规律研究

为了认识固体推进剂空气涡轮火箭发动机推进剂供应快慢和尾喷管面积变化对发动机起动过程产生的影响,采用容积法建立了考虑工质变比热及化学平衡的发动机动态模型,通过给定不同的推进剂供应速率、尾喷管喉部面积大小及尾喷管喉部面积随转速变化速率,模拟了发动机各工况下的起动过程,对比分析了这些参数对发动机起动时间、共同工作线位置的影响规律。研究发现,增加推进剂供应速率会使发动机起动时间降低,但压气机更接近喘振边界,当尾喷管喉部面积较小时,尾喷管会出现壅塞现象,导致压气机喘振。在此基础上,给出了采用较快推进剂供应速率和尾喷管喉部面积随转速升高而增大相结合的调节方法,使压气机在避免喘振的同时远离堵塞边界,实现了发动机的快速安全起动。     

固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的气动热力循环分析(英文)

建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计状态数值模型,提出了基于压气机增压比、涡轮前温度和涡轮落压比关系的燃烧室燃气与空气配比表达式,以及涡轮落压比和发动机涵道比的匹配关系.定量分析了压气机增压比、涡轮进口燃气总温、涵道比/涡轮落压比和飞行马赫数对固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的单位推力和比冲的影响.     

氨解离度对无水肼ATR发动机性能影响研究

基于无水肼ATR发动机,开展了氨解离度对涡轮前燃气及发动机总体性能的影响研究,对不同氨解离度时无水肼ATR发动机性能进行计算对比。结果显示,随着氨解离度x升高,无水肼分解燃气温度降低,H_2、N_2在分解混合气中的质量百分比升高,燃气比热比、气体常数数值升高;在地面状态同一转速下,x越小,发动机比冲越高。在100%物理转速时,x=0.29对应的发动机比冲最高且为808 s,无水肼流量为0.999 kg/s,较x=0.8发动机比冲提高最大约7.3%,无水肼流量减小约7.33%;同一高空条件100%转速下,x越小,发动机比冲越高。在22 km/3.5Ma条件下,x=0.29较x=0.8发动机比冲提高最大约14.6%,无水肼流量减小约8.2%。在同一ATR发动机、同一转速下,氨解离度越低,涡轮等熵功越大,无水肼流量越小,发动机比冲越高。     

补燃循环发动机推力调节研究

推力调节是提高液体火箭发动机适应性和运载火箭性能的有效措施。研究认为补燃循环发动机最佳的推力调节方案是调节预燃室中较少组元的流量。通过控制预燃室的温度,改变涡轮泵的功率,最终达到调节推力的目的。由于补燃循环发动机推力调节时。对预燃室温度的影响较大,推力向上调节幅度不宜过大,但可进行较大幅度的向下调节。上述推力调节方案对发动机比冲的影响很小,可以忽略不计;对发动机混合比的影响也较小,只需在大范围推力调节时考虑;推力调节速率不宜过快,应小于20％／s。     

固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的建模及特征研究

建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计状态数学模型,提出了燃烧室燃气与空气配比的关系,分析了压气机增压比、涡轮进口燃气总温和涡轮落压比对燃烧室油气比的影响,以及固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计特点。基于涡轮压气机功率平衡条件、静压相等的掺混条件和尾喷管流量匹配条件,建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的非设计状态数学模型。     

双组元离心式喷注器10 N发动机偏工况试验

根据国内外同类发动机研制经验,双组元10 N发动机在入口压力为0.8~2.2 MPa范围内,入口压力偏差会使发动机真空比冲、燃气温度等性能产生较大变化。为了获得双组元离心式喷注器10 N发动机在落压推进系统要求的入口压力范围内性能,通过采用小流量喷雾试验台和42 km高模试验台,对偏工况条件下的冷态性能及热试性能进行试验研究。试验结果表明:该发动机额定入口压力1.58 MPa时真空比冲为2881 N·s/kg;当入口压力在0.6~2.5 MPa变化时,对应真空推力从4.7 N增加到14 N,落压比为3;入口压力0.6 MPa时真空比冲为2600 N·s/kg,入口压力2.5 MPa时真空比冲为2956 N·s/kg;入口压力在0.6~2.5 MPa试验范围内,发动机燃烧室壁温均低于材料许用温度,表明发动机热设计优良,可满足双组元落压推进系统对姿控发动机的性能需求。     

燃气涡轮性能试验台的控制因素敏感度分析

针对某燃气涡轮性能试验台,选择空气流量、燃油流量、水流量以及涡轮背压作为控制系统的主要控制量。通过建立工作点附近的线性“小偏差”方程,讨论了以上四种因素对于涡轮的入口压强、入口温度和转速这三个状态变量的影响程度。压强主要取决于空气流量．温度对空气和燃油均有一定的敏感性,转速则主要由水流量来控制。基于以上判断确定了试验台的手动调节规律。     

火箭发动机斜切喷管流场与推力特性的数值模拟研究

为研究固体火箭发动机斜切喷管流场与推力特性,采用非定常可压缩N-S方程与Realizablek-ε湍流模型相结合的方法,并运用混合网格技术,对不同角度斜切喷管的流场特性与推力特性进行数值模拟研究。结果表明,对于斜切喷管发动机,当喷管入口采用倾斜安装形式时,会存在一定的质量流量损失,喷管实际质量流量为理论流量的0.938;对于不同角度的斜切喷管,喷管喉部与喷管扩张段对称结构部分的速度场分布状况基本相同,而在喷管扩张段非对称部分,速度场分布存在一定的单边现象;当喷管斜切角度从45°增大到90°时,喷管轴向推力Fx线性增大,侧向推力Fy线性减小,推力偏转角度则从2.323°减小到0.063°,但对发动机喷管中燃气的质量流量与喷管总推力的影响不大。     

基于碳氢燃料裂解工作的ATR发动机性能分析

提出了一种基于碳氢燃料裂解气体驱动涡轮工作的ATR发动机方案,并对特定裂解气成分的碳氢ATR发动机性能进行计算,获得了裂解气中烷/烯比对发动机性能的影响规律。结果表明,在同一飞行条件下,随着发动机转速上升,推力逐渐上升,比冲基本呈减小趋势;在同一转速下,碳氢燃料裂解气中烷/烯比越大,发动机比冲越高。在烷/烯比4、转速百分比70%条件下,发动机比冲最高达到约7 644 m/s;随着烷/烯比逐渐升高,裂解气比热容逐渐升高。     

补燃循环发动机起动过程涡轮功率控制

分析了采用富氧燃气发生器的补燃循环发动机起动过程中涡轮功率的控制方法,指出起动过程中涡轮功率的主要控制参数为发生器温度和涡轮压比。起动过程中发生器温度的控制依靠选择合适的流量调节器起动流量、转级时间和转级速率来实现。起动过程中涡轮压比的控制需要控制推力室的建压时间和建压幅度,这需要选择合适的推力室燃料主阀打开时间、燃料节流阀转大流量的时间。通过数值仿真,分析了上述控制方法对发动机起动过程的影响机理。     

国外单组元变推力发动机应用与关键技术

介绍了国外单组元变推力发动机的应用现状,阐释了单组元变推力发动机的结构和设计原理,总结了研制和改进过程中的关键技术,主要包括径向双层夹套催化床设计、径向喷注器设计、流量稳定调节技术和催化床空穴控制技术等。美国为火星软着陆研制的MR-80和MR-80B无水肼单组元变推力发动机分别应用于“海盗”号和“好奇”号着陆器下降级推进系统。MR-80发动机可实现275~2835 N变推力调节,推力变比为10∶1,比冲为205 s,呈120°均布于“海盗”号着陆器三角形基座的长边。“好奇”号下降级推进系统由2个高压氦气瓶、3个推进剂贮箱、8台单组元变推力发动机、8台单组元250 N姿控发动机、1个压力控制组件和3个推进剂控制组件组成,MR-80B发动机可产生31~3603 N的真空推力,推力变比达到100∶1,比冲范围为204~223 s。     

固冲发动机射流控制可调进气道研究

针对固定几何形状固冲发动机超音速进气道在超额定状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室引入燃气喷入外压缩面和喉道实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案,采用数值模拟方法摸索了实现调节的燃气喷射规律,验证了方案的可行性。研究表明,采用射流控制方案可实现固冲发动机进气道调节,通过调节可使外压缩波系保持封口,进气道工作在额定状态,均化了入口流场;喉部射流注入可有效减小主流的流通面积,提高内收缩比,并减小了喉道出口下壁面附面层厚度,进气道出口总压恢复提高显著。     

基于运行状态的氦氙布雷顿循环气体组分分析

氦氙气体的组分保持是氦氙布雷顿能量转换系统长期稳定运行的基础,而无论是工质气体的泄漏还是充填量的调节都有可能导致系统中的氦氙气体组分发生变化,进而影响系统运行状态。通过对氦氙布雷顿系统的动态仿真计算,得到了气体组分发生变化时系统运行的差异。当气体组分发生变化时,系统共同工作线将发生偏移,尤其是气体摩尔质量变小时,共同工作线向喘振线偏移;并且在到达满功率输出时,压气机喘振裕度变小,且需要更高的涡轮入口温度;同时会导致回热器热侧温度入口提高,不利于系统的稳定运行。基于系统仿真结果提出了在额定转速下以负荷率、流量为变量的氦氙气体组分计算方法,为实现氦氙布雷顿循环工质组分变化的监控和调节提出了新思路。该方法中,流量的精确测量是提高组分分析精度的重要保障。     

小推力液体火箭发动机在轨热分析

为了获得太阳辐射对深空探测小推力液体火箭发动机结构热特性的影响,对在轨运行液体火箭发动机推力室热环境进行了分析。考虑太阳辐射对模型非均匀性的影响,根据发动机的实体模型,在ANSYS Workbench环境下引入APDL语言,建立其三维稳态热分析有限元模型。针对在地球同步轨道(GEO)的空间小推力发动机实际工作情况,分别对发动机推力室稳态工作和发动机不工作状态进行结构热情况分析研究,得出太阳辐射对发动机温度分布的影响规律。稳态工作时太阳辐射对推力室温度影响不大,有太阳辐射和没太阳辐射推力室室壁温度最大差值10 K;发动机不工作时发动机接受太阳辐射面温度较高,有太阳辐射和没太阳辐射推力室室壁温度最大差值71. 41 K,太阳辐射对模型的非均匀性影响较大。该研究结果可为小推力发动机的热设计提供依据。     

流体喷管的脉冲爆震发动机出口过膨胀优化数值研究

在脉冲爆震发动机工作过程中,爆震室压力处于强非定常状态。传统的型面不可调尾喷管与可调尾喷管都无法满足爆震室内压力的高频剧烈变化,进而导致较大的推力损失。为了提升现有脉冲爆震发动机型面不可调增推喷管性能,可以从爆震室中引出爆震燃气,通过无阀自适应控制将该二次流喷射在喷管扩张段,实时调节主流的有效扩张面积比,进而形成流体喷管。针对这种形式的流体喷管,在可爆混合物一定(当量比1.0,初始填充压力为0.1 MPa)的情况下,基于二维数值模拟,研究了不同二次流喷注条件(二次流喷注面积比、位置比)对主流流动状态及发动机推进性能的影响。计算结果表明:二次流的喷注改变了喷管有效流通面积;二次流在喷管扩张段喷注面积比越大,喷管的冲量提升率越大(相对于基准喷管冲量最大提升率为5.25%);二次流喷注位置越靠近喷管喉道处,喷管的冲量提升率越高。     

火箭引射模态下一次火箭流量优化方法研究

对火箭基组合循环(RBCC)发动机火箭引射模态下一次火箭流量优化方法开展了研究,并对飞行条件下一次火箭流量的变化规律进行了分析。提出了采用有效比冲作为优化目标的一次火箭流量单目标优化模型;建立了求解与一次火箭流量相匹配的二次燃料流量的比例控制方法;在考虑发动机性能优化与弹道分析耦合作用的基础上,采用试验设计和遗传算法,建立了火箭引射模态下一次火箭流量优化方法。针对空中载机发射的RBCC发动机,开展了火箭引射模态下一次火箭流量优化,并根据弹道分析结果,给出了飞行条件下一次火箭流量变化规律。结果表明,为了克服飞行过程中声障阻力,一次火箭流量在Ma=1.0附近达到最大,此时对发动机提出较高的推力设计要求;在Ma=1.5附近,来流空气的冲压作用占主导地位,一次火箭流量出现较大程度的节流,此时对发动机提出较高的比冲设计要求;超过Ma=1.5后,一次火箭以较小的流量状态维持稳定工作;火箭引射模态下一次火箭流量调节比达到了5.0。     

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。