低温推进剂火箭发动机预冷方案研究

对国内外低温推进剂火箭发动机采用的排放预冷、自然循环预冷和强制循环预冷等预冷方案进行了综述。介绍了国内新一代运载火箭使用的新型低温液体发动机的预冷研究。对液氧煤油发动机预冷方案中推进剂类型、发动机所在子级、自然循环多因素综合等影响方案的主要因素,以及发动机预冷方案中的维护、沸腾传热与两相流数值模拟等关键技术进行了分析。     

运载火箭低温输送系统间歇泉特性及抑制方案探究

为研究重型运载火箭液氧管道中的间歇泉现象并设计有效的抑制方法，调研分析了不同领域中间歇泉的研究现状及低温领域间歇泉的特点。揭示了低温推进剂管道中间歇泉的动态特性和产生机理，提出了重型运载火箭间歇泉抑制方法。研究表明：1)低温领域发生间歇泉的管道结构参数、热流输入方式、液体性质与其他领域相比有较大不同；2)减压沸腾是间歇泉产生的主要原因，弹状气泡不是低温管道中产生间歇泉的必要条件；3)间歇泉过程中会出现剧烈的压力降低和突增现象，在恶劣工况下压力波动可达兆帕量级；4)根据重型火箭的管路布局方式，可选择氦气注入或者外界热流引起循环流动的方法来抑制间歇泉。     

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...     

低温推进剂管路预冷沸腾换热特性研究综述

为探究低温推进剂预冷管路过程中非稳态两相流动与换热特性,通过文献调研与对比分析,综述了该领域研究进展。分类总结了影响预冷沸腾的主要因素,梳理了数值模拟研究结果,探讨了现有流动沸腾关联式对低温推进剂预冷沸腾过程的适用性,并整理了微重力下低温流体预冷沸腾相关实验研究。研究表明:1)低温流体预冷沸腾可用典型沸腾曲线逆向描述,换热特性与两相流型分布与常温流体流动沸腾相比存在一定差异;2)质量流速、流动方向、工质物性等是预冷沸腾过程流动与换热特性的主要影响因素;3)传统流动沸腾换热关联式不适用于低温流体预冷沸腾换热研究,需进一步拟合低温流体预冷过程关联式。通过梳理低温流体预冷沸腾理论研究和实验进展,提出了开展相关研究的思路与方向,以期为低温推进剂的安全高效加注提供参考和理论依据。     

液氧/液甲烷姿控发动机点火技术研究

液氧/液甲烷推进剂组合具有高比冲性能以及其他优异的综合使用性能,已经成为未来空间化学推进的重要发展方向之一。点火技术作为液氧/液甲烷姿控发动机的重大关键技术,对发动机可靠启动、响应特性、脉冲一致性等关键指标具有重要影响。欧美国家已经开展系统以及相关组件的预先研究,其中美国已经完成了系统级的地面自由飞行试验。国内也已开展了低温推进系统技术论证,并开展了主发动机、姿控发动机以及点火器、低温贮箱、低温阀门等关键组件的研发。针对液氧/液甲烷低温推进剂组合进行了点火技术分析筛选和试验研究,验证了电火花点火与激光诱导等离子点火两种方案的原理可行性。试验表明在入口条件从气态到液态的宽广范围内两种方案均能实现可靠、可重复点火,两种点火方式对于LO_x/LCH_4发动机均原理可行。试验得出可靠点火的火花能量边界特性、混合比边界特性、响应特性以及脉冲特性,为后续液氧甲烷发动机设计提供依据。     

Morpheus液氧/甲烷一体化推进系统研究综述

液氧/甲烷推进剂组合凭借其比冲性能、绿色无毒、空间贮存特性及原位资源利用等综合性能高的优势,被NASA选定为未来化学空间推进的主要发展方向。Morpheus着陆器顺利在肯尼迪航天中心完成自由飞行与自主着陆试验,标志着NASA的液氧/甲烷空间推进技术达到了从单项技术开发走向系统集成应用的新里程碑。介绍了Morpheus着陆器的研制历程与研发模式,针对其采用的液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统,详细介绍了系统构成、推进剂输送方案和供应管路热控方案,以及可变推力主发动机和滚动控制发动机的设计原则、研制历程、涉及的主要技术问题与解决措施等。     

可重复启动低温上面级的推进剂管理装置研究

回顾了低温上面级推进剂管理技术的国内外研究现状,分析了上面级微重力环境中低温推进剂管理涉及的液体蓄留、气液分离和局部热控等关键技术。开展了液氧贮箱推进剂管理装置的方案设计,并试验验证了可填充蓄液器的填充和下层板网的指定路径排气等关键功能,确认了方案的可行性。     

液氧甲烷重复使用辅助动力系统方案与进展

航班化航天运输系统的应用需求日趋迫切,基于液氧/甲烷（LOX/LCH4）发动机的可重复使用运载火箭成为国内外研究热点。面向某型运载火箭对一级返回辅助动力系统的需求,提出了基于电动泵的主辅一体化液氧甲烷系统方案和独立挤压式液氧甲烷系统方案,开展了方案比选和应用优势分析,并介绍了液氧甲烷轨姿控发动机和低温表面张力贮箱的研究基础,以及国内首款液氧甲烷轨姿控推进系统集成演示试验情况。液氧甲烷辅助动力系统可以实现全箭推进剂的统一和无毒化,助力运载火箭走向高效及完全可重复使用。选择切实可行的“分步走”策略,优先开展挤压式液氧甲烷辅助动力系统的工程化研制与飞行应用,逐步实现基于电动泵的主辅一体化液氧甲烷辅助动力系统在重复使用运载火箭和低温上面级等领域应用。     

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。     

我国液氧甲烷发动机技术发展概述

<正>可重复使用运载火箭的兴起使得双低温、积碳少的液氧甲烷发动机得到极大的重视。液氧甲烷发动机具有以下优势:甲烷推进剂可从天然气、油田气、可燃冰等中分离,来源广泛、价格便宜;液氧和甲烷推进剂温度相近,使得火箭易于采用共底贮箱方案以提高结构效率,同时在深空探测过程中液氧和甲烷推进剂在长期贮存热管理方面也有较大发展潜力;液氧甲烷发动机在地外行星原位制造方面拥有独特优势;在烃类推进剂中,甲烷的结焦温度（初始结焦温度950K）比煤油（初始结焦温度693～703K）更高,更高的结焦温度使得再生冷却推力室性能具有更大提升空间;甲烷冷却性能好,适用于全流量补燃循环方案,能够兼顾高性能和重复使用需求。     

低温推进剂火箭喷泉效应及其抑制

针对低温推进剂火箭应用过程中出现的喷泉效应，在深入分析其产生机理的基础上，介绍了氦气注入、补充加注和循环回流三种相应的抑制方法。试验和应用结果表明，这三种方法可有效地实现系统平衡，抑制喷泉效应。     

导引头隔离度寄生回路对视线角速度提取的影响

为在导弹总体设计中合理确定导引头视线角速度提取方式,研究提出了基于导引头隔离度寄生回路特性分析的视线角速度提取方式确定办法。建立了典型平台导引头的隔离度寄生回路模型,利用频域法解析分析了两种视线角速度提取方式下导引头隔离度传递函数、隔离度寄生回路和导弹制导系统特性的差异,利用劳斯判据研究了制导参数对寄生回路稳定性能的影响。结合某红外导引头,在典型飞行条件下数值分析验证了理论分析的正确性。研究表明导引头隔离度寄生回路特性直接影响导弹制导系统性能,不同的视线角速度提取方式下隔离度寄生回路特性不同,进而导致制导系统性能出现较大差异,而确定导引头的隔离度特性有助于选择合理的视线角速度提取方式以提高导弹制导性能。     

载人航天器放电调节器稳定性研究

电源系统的稳定性是保证载人航天器在轨飞行可靠安全的要素之一。文章研究了应用混合型功率调节技术的电源系统放电调节器的建模方法,获得了系统开环传递函数,进行了仿真验证,在此基础上分析了影响放电调节器稳定性的因素,表明系统中存在过大的延迟会使系统的稳定性大幅降低甚至造成不稳定,地面试验结果验证了此结论的正确性。     

薄膜区传热传质蒸发对毛细蒸发弯月面稳定性的影响

蒸发毛细弯液面的稳定性对两相传热装置的运行有着重要意义。由于弯液面的蒸发50%以上发生在一个微小区域,即延展薄膜区,可以预期不稳定性将最先产生于这一区域。为对蒸发弯月面的稳定特性进行机理性研究,首次提出一种将线性稳定性分析与薄膜区传热传质数值分析巧妙结合的研究方法。该方法通过传热传质数值分析获得能够反映弯月面稳定特性的特征膜厚和长度,并将其应用于线性稳定性判据以获得弯月面的临界过热度。分析表明,两种方法的结合可以有效揭示蒸发弯月面的稳定机制,特别是毛细管半径、弯液面温度和工质的热物性对弯月面稳定性的影响。与相关文献报道的实验结果比较,证实了该方法的有效性。     

流量调节器在泵压式供应系统中的动力学特性

针对某型流量调节器及泵压式供应系统,建立了描述其动态特性的频域分析模型,研究系统在出口压力扰动下的频率响应特性以及系统的固有稳定性.结果表明调节器在系统中的位置对系统高频范围内的频率特性影响很大.当供应系统总压降保持一定,增大出口局部流阻的压降能降低系统的谐振峰.当出口局部阻力较小,管路长度比例合适时,系统能够出现自发的不稳定.出口局部阻力越低,系统的总管路长度越大,则系统稳定性越差,不稳定的管路长度比例区间就越大.系统产生不稳定的机理是,在合适的管路长度比例下,调节器第二道节流口所分成的两截管路的声学频率相匹配,且流量调节器处于固有频率的压力波腹,滑阀始终受到频率一致、较大幅值的脉动压力的作用,使得滑阀在固有频率下产生明显的随动响应,对系统形成正反馈.在系统的阻尼耗散作用不足时,形成了耦合的不稳定系统.     

预燃室低频不稳定燃烧仿真研究

为弄清燃烧不稳定性激励机制,建立了氢氧预燃室低频燃烧稳定性分析数学模型,利用MATLAB/SIMULINK集成软件包搭建仿真平台,研究了与供应系统耦合的低频不稳定燃烧。结果表明:在各种不稳定激励因素中,氧的喷注压降对稳定性影响最为显著,当其值低于某一稳定边界时,出现极限环振荡,提高氧的喷注压降可以非常有效地抑制低频不稳定燃烧;当氧的喷注压降位于稳定边界附近时,混合比将对稳定性产生一定影响,降低混合比可以较好地抑制低频不稳定;氢的喷注压降对低频燃烧稳定性影响很小。     

高频燃烧不稳定性的试验研究方法及面临的挑战

采用特征时间法分析了液体火箭发动机燃烧子过程的响应特性,指出了高频燃烧不稳定性试验研究的重点。介绍了国内外典型的高频燃烧不稳定性模拟实验方法与试验装置,认为推力室声学、低压燃烧不稳定性模拟试验以及喷嘴动力学试验研究是目前指导工程设计的主要途径,高压燃烧过程试验和光学测量技术是未来充分认识其激励机理的关键。     

绳系卫星系统中的周期运动

在椭圆轨道上飞行的绳系卫星系统的重要特征是系绳的方向角具有周期性运动，称为驻环。不稳定的驻环导致全系统的不稳定性。本文给出系统运动的数学模型、距离速率控制方法、求解驻环的数值迭代算法、驻环的稳定性和吸引域以及控制参数平面上驻环存在的区界和计算机仿真结果     

无人机集群组网高精度测距技术研究

针对无人机组网系统机间测距精度受限于时域采样周期时延估计的问题，本文提出一种联合正交频分复用（OFDM）前导序列和导频序列进行高精度测距估计的方法，利用最大似然估计和双向测距法将参与计算的序列测距估计结果按比例进行加权平均。同时，仿真分析了联合测距估计方法性能。结果表明：联合估计方法的前导与导频序列差分自相关间隔长度取典型值时测距精度能达到0.1 m以下，可在较低信噪比下实现厘米级测距精度，提升了集群组网测距的稳定性。