低温推进剂深度过冷加注技术研究及对运载火箭性能影响分析

介绍了运载火箭深度过冷加注技术国内外研究现状,分析了深度过冷加注对火箭性能影响。经分析显示,深度过冷加注在降低增压系统规模、减小贮箱容积需求、降低贮箱壁厚、提高发动机预冷适应性、提高推进剂整体品质及发射适应性、缩短加注发射流程等方面均有明显作用。提出了实现深度过冷加注的关键技术及主要技术方案设计。     

低温推进剂交叉输送管路关键技术研究进展

低温推进剂交叉输送(CPCF)技术是实现低温火箭动力冗余能力的关键技术之一,能够实现芯级和助推级推进剂的合理利用。该技术的核心部件是芯级和助推级之间的交叉输送管路,主要包括用于切断推进剂流动的隔离阀和管路连接分离装置。为了梳理CPCF核心部件的关键技术,首先对CPCF技术的基本运行原理和发展现状进行了简要阐述;其次对交叉输送管路存在的难点问题进行了归纳总结,主要涉及管路的低温密封、低温推进剂管理以及管路连接分离;最后借鉴相近领域的技术为CPCF技术的研制提供参考。本文对将来CPCF技术的应用具有一定的指导意义。     

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...     

运载火箭低温推进剂热管理技术及应用进展分析

运载火箭低温推进剂与外界环境的传热是造成汽化的主要原因。为长期贮存和使用低温推进剂,必须采用综合的热管理技术。首先介绍国内外提出的被动热防护技术和主动制冷技术。前者的主要目的是降低贮箱与外界环境的热量交换强度;后者是通过对贮箱内的热量进行转移,以实现低温推进剂的无损贮存,但只适合已具有良好被动热防护的贮箱。其次,对国外典型低温推进剂实验应用系统进行分析,并初步提出多功能液氢实验平台方案设想,方案中通过CZ-3A号搭载多功能液氢实验平台用于验证空间环境下低温推进剂的综合应用技术。通过对低温推进剂热管理技术的调研和论证,为我国低温推进剂在空间环境下的长期在轨使用提供技术参考。     

低温推进剂在轨加注技术与方案研究综述

为了探究适用于低温推进剂在轨加注的相关技术与方案,通过文献调研与对比分析,介绍国内外在轨加注技术的研究现状,梳理低温推进剂在轨加注的关键技术,研究现有加注技术与方案对低温推进剂的适用性,并提出我国开展相关研究的思路与方向。研究表明：1）气液分离、蒸发量控制、质量测量和流体驱动循环等技术是直接影响推进剂在轨加注系统结构与加注性能的关键技术;2）低温推进剂具有沸点低、表面张力小等特殊性,对气液分离、系统热防护等技术的性能要求更高;3）表面张力式气液分离、纤维镜或射频质量检测、多层隔热材料、热力学排气系统（TVS）以及无排气加注等先进技术方案对低温流体和微重力环境均具有更好的适用性,将成为实现低温推进剂在轨加注的关键突破口。     

登月舱用深度变推下降级发动机系统方案研究

在我国的载人登月技术方案中,为实现软着陆,登月舱需要一种大推力、高性能、多次起动,能够大范围变推力的泵压式发动机.通过研究国外登月用下降级发动机技术发展现状和趋势,基于我国氢氧发动机和低温推进剂空间贮存水平,进行了深度变推发动机的系统方案研究;通过分析比对燃气发生器循环和膨胀循环系统优缺点,确定发动机系统方案为涡轮串联闭式膨胀循环;采用空间可长时间贮存的液氧/甲烷推进剂组合,可满足任务周期要求;根据推力深度调节时对各组合件性能要求,确定喷注器燃烧稳定技术和燃烧室身部传热技术是深度变推发动机研制的核心关键技术.     

战术导弹中小型固体发动机技术的发展

通过对战术导弹中小型固体发动机具体发展需求的分析,明确了高能化、轻质化、可控化和低易损4个主要的中小型固体发动机发展方向。可以从提高推进剂黏合剂密度和燃烧室工作压强来实现高能化;采用轻质高性能金属壳体、纤维缠绕复合材料壳体以及提高绝热层性能以实现轻质化;可控化需要在高功率密度的驱动装置、高精度的控制算法等方面获得突破和支撑;低易损则可以从钝感推进剂、主动扩稳、防护材料等途径开展工作。通过对这4个技术方向上国内外研究现状和发展趋势进行梳理,明确提出未来研究需要突破推进剂和热防护原材料、新型装药工艺、可调燃气阀门、压力闭环控制和有效扩稳等关键技术,加速工程化进程,为我国战术导弹的跨越式发展提供支撑。     

低温推进剂输送与预冷系统间歇泉不稳定性数值模拟研究

针对低温推进剂（液氧）输送与预冷系统间歇泉不稳定性进行了模拟与数值试验研究。分析与验证了连接液氧贮箱的底端封闭垂直管路的典型间歇泉不稳定过程,对经验Murphy曲线进行了检验。针对自然循环型的低温推进剂输送与预冷系统不稳定性及典型间歇泉的发生,进行了稳定域的计算与影响参数分析,研究了过冷度、输送管漏热、发动机进出口阻力、回路高度,以及回流管漏热（保温状况）对各域边界的影响。     

微胶囊化在固体推进剂中的应用及展望

介绍了微胶囊化技术的概况、制造方法及其在推进刑领域的相关应用。重点指出固化剂和氧化剂的微胶囊化包覆、复合粒子的制备等对提高推进剂的性能有重要作用。总结了微胶囊化技术在固体推进剂中应用的研究方向。     

粉末发动机技术研究现状及展望

对目前在研究的Al/AP、金属粉末/空气、金属粉末/CO_2、金属粉末/H_2O等推进剂体系的多种粉末发动机发展现状进行了综述,表明粉末发动机可分为粉末火箭发动机、粉末冲压发动机、粉末爆震发动机三大类,不同推进剂体系的粉末发动机应用方向差异较大:Al/AP推进剂火箭发动机是最典型的粉末发动机,应用领域和常规火箭发动机的相同,其技术成熟度相对较高;金属粉末/空气冲压发动机主要用于超音速导弹或高超音速导弹推进领域;金属粉末/CO_2推进剂体系主要应用于火星开发;金属粉末/H_2O推进剂体系可用于水下推进、空间推进、金属制氢等领域,应用前景广阔,是目前的研究热点。各种粉末发动机都涉及三项关键技术,即粉末推进剂配方技术、粉末推进剂输送及流量调节技术、粉末燃料燃烧组织技术,文中提出了这些技术的基本要求,同时认为粉末推进剂输送及流量调节技术是粉末发动机的技术瓶颈。     

过冷度对飞行器贮箱热力学排气系统性能的影响

为了研究低温推进剂贮箱的压力控制特性和热力学排气系统的运行特性,建立了耦合贮箱内流体流动相变过程与热力学排气系统(TVS)的数学模型,对TVS系统运行后贮箱的压力和温度变化进行了仿真计算。在以液氮为贮存工质的低温流体高效贮存平台上,进行了仿真模型的验证。分析了不同液体过冷度对低温贮箱温度和压力控制特性的影响。研究发现,在相同的在轨贮存周期内,对于饱和状态的液氢和液氧,TVS只有在排气模式下才能实现低温贮箱的压力控制,而对于过冷状态的液氢和液氧,TVS只需进行混合模式运行便可实现低温贮箱压力控制,且TVS混合运行时间随液体过冷度的增加而减少,16 K液氢时TVS的运行时间(546 s)相比于20 K液氢(663 s)减少了17.6%,78 K液氧时TVS的运行时间(2 760 s)相比于90 K液氧(16 469 s)减少了83.2%。过冷液体与气枕的混合可以实现低温流体在轨贮存过程中的零排放。     

甲烷-乙烷混合推进剂深度过冷技术的实验研究

针对甲烷采用液氮过冷可能发生甲烷冰堵风险,提出了在甲烷中添加乙烷,制备凝固温度更低的甲烷-乙烷混合推进剂的新方案,搭建实验系统测试了甲烷-乙烷凝固温度变化规律。研究发现,随着甲烷含量提高,混合推进剂凝固温度先降低后升高。当甲烷、乙烷比例为0.71∶0.29时,混合推进剂达到最低凝固温度,约73.0 K。当采用常压饱和液氮对混合推进剂过冷时,控制甲烷含量在0.52~0.81间可避免推进剂冻结。相较于常压饱和甲烷,防冻结区的混合推进剂密度提高了24.0%~38.4%,液相存在温区增大至35.7 K~40.5 K。此外,甲烷-乙烷混合推进剂具有理论比冲高、再生冷却性能佳、结焦与积碳小等优势。所提出的甲烷-乙烷混合推进剂在火星探测等任务中具有可观的应用前景。     

不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析

进行不同温度和拉伸速率下推进剂单向拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断口形貌进行了观察,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响以及不同细观破坏模式,特别是低温、高拉伸速率下推进剂的失效机理;基于时温等效原理,给出了推进剂力学性能主曲线和破坏包络线。研究表明:初始模量、抗拉强度主曲线呈指数递减趋势,在高温、低拉伸速率下其值减少;断裂伸长率主曲线呈多项式关系,在低温、高拉伸速率下明显降低;力学性能主曲线和破坏包络线可以用于不同试验条件下失效应力的预测;推进剂在低温、高拉伸速率条件下内部颗粒产生了明显的破碎,相同温度条件下,拉伸速率越高,颗粒破碎越严重。     

低温动态加载下老化HTPB推进剂细观损伤研究

采用扫描电镜(SEM)对低温动态单轴拉伸后的HTPB推进剂断面形貌进行了观察,分析了不同加载条件下推进剂的细观损伤形式。结合盒维数数值方法,进一步讨论了推进剂的细观损伤程度变化情况。结果表明,热老化后HTPB推进剂在低温动态加载时,其细观损伤更复杂、更严重;温度、应变率和热老化均能改变推进剂的细观损伤形式,存在细观损伤发生改变的临界加载条件;随温度持续降低、应变率持续升高及热老化时间增长,盒维数值最终保持在1.866附近,即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。研究结果对分析低温点火时战术导弹固体火箭发动机药柱的结构完整性具有一定参考价值。     

氢氧推进剂在轨加注若干关键问题研究进展

为了实现深空探测和大型空间站的建设,有必要对氢氧推进剂的在轨加注技术进行研究。通过文献调研和对比,重点分析氢氧推进剂在轨加注遇到的若干热力学和流体力学问题。首先介绍了可以用于氢氧贮箱蒸发量控制的被动热防护技术,目的是实现推进剂的长期在轨贮存。其次,对9种常用的常规推进剂在轨测量技术进行比较,得出适用于氢氧贮箱内剩余推进剂的测量方法。最后,针对在轨低温推进剂的气液分离问题,分析了正推法和表面张力贮箱在氢氧贮箱气液分离中的适用性。通过对氢氧推进剂在轨加注关键问题的调研和论证,为我国氢氧推进剂在空间环境下的长期在轨使用和再加注提供技术参考。     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。     

凝胶推进剂及其模拟剂的制备和特性表征

高能凝胶推进剂的选择、制备、实验及特性表征是凝胶推进剂研究的关键环节.燃料凝胶化包括有机和无机两种胶凝剂.氧化剂的凝胶化使用了无机胶凝剂.此外选择和配制了凝胶推进剂的模拟剂,它具有与实际燃料和氧化剂相匹配的流变特性.制备了在流变学上相匹配的凝胶燃料和凝胶氧化剂、惰性凝胶模拟剂与凝胶推进剂,并对其流变学特性进行了分类.     

高能液体推进剂研究现状和应用前景

高能液体推进剂的发展有四个方面：金属化凝胶推进剂、高密度吸热型碳氢燃料推进剂、纳米材料液体推进剂、添加含能材料的液体推进剂。本文围绕高能液体推进剂的发展方向,综合论述了国内外的研究现状和应用前景分析,并提出了我国技术发展的初步思路。     

低温表面张力贮箱研究

对用于低温液氧推进剂的表面张力贮箱进行了理论上的初步分析，认为其在理论上是可以实现的。从低温表面张力贮箱的材料选择、低温推进剂引起的热应力及隔热层结构形式等方面进行了初步探讨。重点介绍了低温表面张力贮箱隔热层的结构形式及选用的隔热材料。分析了低温表面张力贮箱面临的特殊问题。     

高低燃温组合推进剂下喷管喉衬烧蚀实验

主要针对喷管进行高低燃温组合推进剂与纯高燃温推进剂下的喉衬烧蚀实验分析,低燃温推进剂为丁羟低温推进剂和SCH?12低温推进剂。实验研究表明,丁羟低温推进剂和高温推进剂组合推进剂的烧蚀率为0．112 mm／s,SCH?12低温推进剂和高温推进剂为0．115 mm／s,纯高燃温推进剂的烧蚀率为0．133 mm／s,证明了高低燃温组合推进剂降低喉衬烧蚀的有效性与可行性。分析了然后对不同含量低燃温推进剂对比冲性能的影响,结果显示,使用比冲下降小、燃温低的推进剂能有效降低喉衬烧蚀,并对发动机比冲影响较小。