泵压式多次起动发动机起动过程仿真研究

某型上面级液体火箭发动机采用可反复充填的起动箱作为起动系统,实现了泵压式发动机的多次起动,但相比火药起动器炮式起动方式,发动机起动过程更为复杂。为研究发动机起动过程工作特性,应用Modelica语言,基于MWorks平台建立了起动箱多次起动泵压式发动机动态特性仿真模型,对发动机起动过程进行了仿真研究,分析了起动箱压力、起动箱内推进剂消耗量、起动参数设置对起动过程的影响。结果表明:发动机每次起动推进剂消耗量远小于起动箱设计容积;起动过程参数变化呈现"挤压起动-再充填-稳态工作"三个平台变化的显著特征;发动机在较大起动箱压力范围内均能够保证正常起动。发动机热试车结果验证了发动机起动时序设置的合理性和起动箱参数设置对起动过程的影响。     

可贮存推进剂泵压式液体火箭发动机多次起动系统研究

在推力超过一定量级、任务时间较长的情况下,泵压式发动机比挤压式发动机具有明显的技术优势。从国内外上面级及重型空间飞行器推进系统的发展需求来看,均要求其主发动机具有多次起动工作的能力。针对采用可贮存推进剂的泵压式液体发动机多次起动需求,对几种可选的多次起动系统方案进行了比较分析,介绍了起动箱式起动系统的研究情况。     

基于热仿真的泵压式多次起动发动机热控设计

某上面级主发动机采用常温可贮存液体推进剂,采用泵压式供应方案,依靠起动箱式多次起动系统使发动机具备多次起动工作能力,在轨工作2天。为使发动机温度环境满足工作要求,对发动机进行了热控设计,热控方案采用被动热控措施为主、主动电加热措施为辅以及起动前排放的综合措施。发动机热控设计基于热网络仿真分析法,通过建立整机热分析模型预示发动机任务剖面温度变化,为发动机提供合理的热控设计方案。     

小推力泵压式发动机自身起动过程仿真分析

根据二级箭体钝化处理的需要,小推力泵压式游动发动机需要在低入口压力下 实现自身起动,进入稳态工作.在MWorks通用仿真平台的基础上,建立发动机起动过程系统仿真模型,通过试车数据验证了仿真模型的合理性.进一步分析了发动机的入口压力条件、主阀流阻以及环境压力对发动机起动过程的影响.结果表明:发动机能够实现自身起动,但起动过程较长;氧化剂的入口压力对发动机自身起动过程影响很大,氧化剂入口压力降低,涡轮泵起旋时间延迟明显,起动品质变差;降低发动机主阀流阻,能够使涡轮泵起旋时间提前,改善起动品质;环境压力降低使推进剂充填过程加快,涡轮泵起旋和工况爬升加快,有利于发动机的自身起动过程.     

低温发动机试验推进剂入口温度控制

阐述了低温发动机起动前推进剂入口温度对试车的重要性,分析了以往试车入口温度过高的原因。通过对试验系统的改造,采用强迫排放推进剂的方法,降低发动机入口推进剂温度,保证发动机在起动前推进剂入口温度满足试验要求。经试车验证,所采取措施成功解决了试验系统存在的推进剂入口温度过高的问题。     

固体火箭发动机水熄火试验研究

本文简要介绍了固体火箭发动机水熄火多次起动研究的试验系统,给出了发动机水熄火的初步试验结果。试验结果分析认为,双基推进剂比含铝量较高的复合推进剂容易实现可靠水熄火,而且有可能在较短的时间里应用于某些固体火箭发动机的多次起动,本研究为固体发动机多次起动技术的进一步深入研究打下了基础。     

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.     

补燃循环发动机强迫起动研究

某泵压式液体火箭发动机是我国首台采用强迫起动方式的补燃循环发动机.结合发动机特点建立了强迫起动模型,进行了系统级冷调试验,根据试验及仿真结果确定了发动机起动参数及起动程序.针对试车暴露的问题,采取一系列措施解决了起动超调、起动爆燃、推力室点火冲击大及喷注器起动变形等问题.研究结果在发动机试车中得到验证.     

无毒推进剂泵压式变推力发动机工作过程仿真

根据无毒推进剂泵压式变推力发动机系统方案，建立了组件数学模型，在此基础上进行了工作过程仿真计算，并对主要影响因素进行了分析。结果表明：发动机各组件能协调工作，但起动加速较慢，发动机变推力时阶跃响应较长；起动箱气腔容积越大，起动越快。     

泵压式发动机精细化热分析技术

上面级泵压式发动机结构复杂、经历的热环境复杂多变,须通过严格的热控设计以保证飞行过程中发动机部组件温度在合适范围内,因此研究泵压式发动机的温度变化规律对发动机研制具有重要作用。文章在分析上面级泵压式发动机热环境特点的基础上,提出了泵压式发动机的热分析建模方法,采用热网络法进行了泵压式发动机精细化热环境分析。通过发动机热平衡试验验证了热分析模型和方法的正确性,获得了发动机在飞行过程中的温度变化规律,可为后续泵压式发动机热分析提供参考。     

火药起动系统对发动机起动性能的影响分析

针对采用火药起动器起动的泵压开式循环液体火箭发动机,对其起动系统进行了分析和研究。建立了液体火箭发动机火药起动器计算模型和起动系统燃气管路流场计算模型。将所建立的起动系统模型应用于发动机系统仿真,对发动机火药起动过程进行仿真,分析了起动系统中火药起动器参数和燃气管路参数对发动机起动性能的影响,确定了主要影响参数和影响规律。火药起动器火药药柱内径、火药药柱长度以及燃气管路火药起动器喷管喉部直径为强影响因素;燃气管路涡轮喷嘴喉部直径和管路出口直径在确保发动机火药起动主要工况段燃气管路流场流态为额定工况流态的前提下,为弱影响因素。试验数据验证表明,发动机起动系统的仿真结果正确、可信。     

针对可重复使用和重复起动应用而对俄罗斯NK—33火箭发动机进行的改进和验证试验

Aerojet 公司得到俄罗斯登月计划使用的已经飞行验证的液体火箭发动机后,用现代仪器和控制把它改进成可重复使用和重复起动发动机,并用热试车验证了这些改进项目。NK—33液氧/煤油发动机是 Samara 州科学和生产企业“TRUD”(现称为N.D.Kuznetsov Samara 科学技术公司)为苏维埃 N—1运载器设计制造的。该补燃发动机产生的高压(14.54MPa 的室压)和高性能(真空比冲为3246m/s)是西方的烃类发动机从来也没有实现过的。Aerojet 公司引进了36台 NK—33发动机、9台 NK—43发动机(N.D.Kuznetsov SSTC 同一发动机在上面级的翻版)。NK—33发动机改进后将首先用于 Kistler K—1运载器。改进项目有:用电磁阎替换火药起动阀;替换推力和混合比控制用的机电起动阀;重新设计吹除供给系统;更换涡轮泵起旋和主燃烧室点火器的固体推进剂;为增加万向节和推力矢量控制架而重新设计更换机架。增加阀、火药起动器和管路以重新起动发动机,更换设备和电缆束。Aerojet 对该发动机进行了成功的热试车,以验证新部件和结构,并开始研究可重复使用 Kistler 运载器上的发动机耐用性。本文描述了对原始俄罗斯发动机的改进项目,报道了至今为止的试验结果。     

高室压脉冲液体火箭发动机特性试验

为了研究高室压脉冲液体火箭发动机工作原理,增压规律以及脉冲特性,通过一系列冷热流试验对试验发动机进行了研究。冷流试验中使用水和氮气作为工质,试验发动机实现自主脉冲工作,验证了差动式可移动活塞应用在推力室中具有增压效果。热流试验中使用气氧/酒精为推进剂,使用传统挤压式推进剂供给系统。在可移动喷注器行程0.8mm条件下,获得9次连续脉冲,燃烧室峰值压强5.511MPa,高于推进剂供给压强（氧气路3.761MPa,酒精路4.424MPa）,表明在相同的推进剂供给压强下,高室压脉冲液体火箭发动机能提高燃烧室压强。     

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

30kN上面级液氧甲烷发动机方案

上面级是介于运载火箭与航天器之间的相对独立的一级,具备轨道转移能力,可将有效载荷精确送入预定轨道。上面级是提高火箭运载能力和提升任务适应性的有效途径,上面级发动机是实现该目标的关键。长期在轨的高性能上面级,要求主动力具备比冲高、空间可长期贮存和高可靠性等能力。针对此技术需求,对比分析了上面级发动机的系统方案;设计了采用泵压膨胀循环、双涡轮泵串联的30 kN上面级发动机系统方案;重点介绍了推力室、涡轮泵和发动机总装集成等关键组件的研究进展。研究表明:液氧甲烷推进剂非常适用于长期在轨上面级发动机;闭式膨胀循环发动机系统是长期在轨上面级动力系统方案的首选;推力室和涡轮泵等组件的研制结果,初步证明了发动机系统及组件方案的可行性;发动机总装和演示试验方案设计工作,为深入开展发动机系统技术研究打下了良好基础。     

气动增压空间推进系统及相关技术试验研究

简要介绍了气动增压空间推进系统方案及组成,开展了基于气动增压原理的新型发动机技术试验研究,重点分析了气动增压空间推进相关技术试验结果和系统性能。结果表明,气动增压空间推进系统同时具备多次起动和高室压的优点,相关技术得到了验证。     

液氧/铝月球火箭发动机设计

本文对含铝(Al)33%的液氧(LOX)单组元推进剂火箭发动机进行方案设计研究。发动机分为挤压式和泵压式两种方案,推力分别为26.69kN 和444.83kN。提出了发动机的计算参数和假定参数。通过讨论发动机的主要分系统如单组元推进剂贮箱、供应管路、泵、涡轮、燃烧室和喷管/出口锥等,指明完成设计程序的关键分析难点和所需数据。与分析结果一起指明一种新组合件:火焰回流捕获器。该装置的功能是阻止火焰峰延伸部分通过推进剂管道进入贮箱。Al/LOX 火箭发动机的主要设计难点是其热流量高,通常比常规火箭发动机高出很多。结果表明:由于热流量太高,挤压式发动机采用超临界 LOX 冷却是不可能的,而泵压式发动机 LOX 流量大,冷却则可以实现。考虑到铝粒在单组元推进剂中的点火延迟和燃烧时间,建议推进剂雾化到200μm 或更小。推进剂中 Al 含量低,导致燃烧长度不能接受。除出口锥以外,Al 和氧化铝的侵蚀不是设计中的主要问题。现在的计算机程度能够预示出口锥造型,这种造型的喷管出口锥不经受颗粒的冲击侵蚀。同时还提出了校验出口锥造型的设计准则。     

涡轮泵超低工况性能研究

对于泵压式变推力发动机和先进的冲压发动机,需要涡轮泵变工况工作,涡轮泵变工况性能是该类发动机研究的一个重点。结合上面级验证性发动机试车,对游机涡轮泵变工况的性能和稳定性进行分析研究。通过泵全流量特性试验和汽蚀试验,得出泵能够在额定流量点25%处稳定工作的结论。对涡轮工况变化后的燃气参数、入口压力、出口压力及效率进行分析,认为涡轮也能够稳定工作。给出了游机涡轮泵可以参加验证性试车的结论,并得到了发动机试车的验证。     

高性能的400N MMH/NTO双组元远地点发动机

本文介绍了 Dasa(戴姆勒-奔驰宇航公司)新型的400N 远地点发动机鉴定试验结果。该发动机采用 MMH/N_2O_4地球可贮存推进剂,其比冲比 Dasa 第一代再生冷却的远地点发动机至少提高98m/s。根据 Dasa 10N 推力室的经验,新型的400N 发动机也采用了无涂层的铂合金推力室,同时喷注器也进行了改进,能够满足性能指标要求。一台发动机完成了鉴定试验,先进行一般的验收试验,接着进行鉴定试验。经充分的验证表明,发动机在420N、入口压力1.7MPa 状态下,额定比冲3116m/s.在鉴定试验中,发动机共消耗推进剂2663kg,重复点火起动128台次,并完成10个完整的热循环。最长工作时间4000s,热和冷的推进剂入口温度45℃和0℃。He 气引入的发动机稳定性评定,高温起动能力以及从1.3MPa 至2.0MPa 的供应压力的变化等,均作为鉴定试验大纲的内容。本文阐述了鉴定试验的结果,并进行了讨论。另外,还报告了三台发动机在轨飞行结果。     

某型火箭发动机起动过程实时故障检测算法研究

以某型火箭发动机为研究对象,针对其起动工作过程,利用Matlab和LabWin-dows/CVI等编程语言,结合神经网络理论,开发了其起动工作过程的实时故障检测算法。使用了多次试车数据进行离线检验,结果证明该算法能够及时、有效地检测出该型火箭发动机起动过程的已有故障,并能够满足实时性的要求,没有出现误报警和漏报警。