普拉特.惠特尼公司研制长期使用的涡轮泵

美国联合技术公司普拉特·惠特尼分公司(Pratt&Whitney)最近从NASA得到198万美元的合同,为航天飞机主发动机研制新的高压燃料和氧化剂涡轮泵。五年的替换涡轮泵研制(ATP)计划,要求普拉特·惠特尼公司研制高可靠性和长期使用的涡轮泵。这种涡轮泵必须在重点检修和大修前能完成30次飞行任务,有55次飞行的使用寿命。普拉特.惠特尼公司研制长期使用的涡轮泵@戴耀松~~     

国外航天飞机介绍(三)

十一ZeeThsel Hat: H=.----～------------ 西德航天飞机Sanger方案 左——冲压发动机方案 右——火箭发动机方案一 n糊 英国HOTOL航天飞机三面图1.鸭翼2.雷达3.反作用控制系统4.液氢5.卫星舱6.卫星发射7.卫星系留8.液氧9.尾翼10.主发动机尾喷管11.轨道机动系统12.发动机进气道13.附面积分流器14.变截而钳 15.后溢出口 16.少圆整流罩 17.圆锹流而积 18.固定的前锥国外航天飞机介绍(三)     

半开式富氧补燃混合循环发动机方案研究

针对未来航天主发动机的应用需求,提出了一种燃料供应系统采用开式循环、氧化剂供应系统采用分级燃烧闭式循环的半开式富氧补燃混合循环发动机系统方案,综合分析了这种新型混合循环发动机所能达到的比冲性能,对比分析了新型混合循环发动机作为可重复使用航天运载器主发动机相比于开式循环和常规补燃循环、全流量补燃循环发动机的优缺点,针对推力为100t级的液氧煤油混合发动机的系统进行计算和分析。结果表明,新型混合循环发动机在主燃烧室压力26.5MPa下,海平面比冲可以达到303s,可以以较小的比冲性能损失为代价,实现涡轮泵介质相容、有效提高发动机设计裕度。     

液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究

鉴于重复使用运载器对动力系统的技术需求,以我国新一代运载火箭主动力液氧煤油高压补燃循环发动机为研究对象,建立了多参数、非线性以及强耦合的发动机系统仿真平台。在分析国内外变推力液体火箭发动机技术特点的基础上,根据液氧煤油发动机单路推力调节的仿真结果,首次提出了发生器燃料路流量调节器调节、主涡轮前燃气分流以及氧化剂主路节流等相结合,并辅助以气体乳化提高喷注器压降的组合深度推力调节方案。仿真结果表明:发动机推力调节能力可达10:1,且能实现多次点火起动,具有性能高、调节范围大的优点。     

航天飞机主发动机高压燃料涡轮泵的故障模式

对航天飞机主发动机(SSME)高压燃料涡轮泵(HPFTP)的故障模式作了归纳总结,深入分析了HPFTP关键部件故障的问题及其解决办法.研究表明:①SSME的HPFTP故障模式与一次性使用液体火箭发动机液氢涡轮泵、航空燃气涡轮的故障模式存在很大的差异;②影响HPFTP寿命的重要故障模式是涡轮叶片的断裂与热防护装置的热机械疲劳故障;涡轮叶片的断裂主要由高温蠕变效应与高速旋转离心力所引起.HPFTP启动、关机瞬态效应对涡轮叶片的影响也很严重,在涡轮叶片寿命预估时必须考虑这些因素;③HPFTP次同步振动问题是SSME HPFTP设计初期面临的一个重要故障模式,主要由轴承与泵级间密封引起的;④启动隔离密封这类HPFTP专有密封件的故障模式也是HPFTP故障模式的重要组成部分.      

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

我国新一代载人火箭液氧煤油发动机

分析了国内外载人火箭主动力的发展情况与发展趋势,介绍了我国1200 kN和180 kN两型液氧煤油发动机的研制历程、系统组成、工作原理、性能参数、关键技术和应用情况。两型发动机突破了补燃循环、自身起动、大范围工况调节、高效稳定燃烧、高压推力室冷却、反力式涡轮、大范围轴向力平衡、低温高DN值轴承、组合式涡轮泵密封、大直径低温阀、高精度调节器、推力矢量控制等关键技术。目前,两型发动机研制工作已基本完成,将成为我国新一代载人火箭的动力组合,实现我国航天主动力的更新换代。     

基于模糊故障树和因子化分析的重复使用火箭发动机失效模式

为确定发动机薄弱环节,指导重复使用火箭发动机可靠性设计,以航天飞机主发动机为研究对象,通过模糊故障树分析法和因子化分析法对发动机主要组件的关键失效模式进行研究.结果表明:模糊故障树分析法给出关键重要度最高的底事件为由剥落、凹坑、磨损和腐蚀致高压氧化剂涡轮泵的轴承失效;因子化分析法通过考虑风险、时间和概率3种因素综合评估出发动机系统中的综合因子最高的失效模式为涡轮叶片失效.      

全流量补燃循环发动机富氧预燃室设计与试验

针对全流量补燃循环发动机,给出了一种分区燃烧、身部二次喷注掺混、表面镀镍抗氧化的富氧预燃室设计方案,设计了富燃点火启动富氧关机的试验时序,进行了26次试验,初步研究了身部二次喷注流量大小对燃气均匀性的影响.试验结果表明:预燃室结构设计合理,点火可靠、结构安全;身部二次喷注流量变化对出口燃气均匀度分布影响明显,存在一个二次喷注流量最佳值.      

含故障统计相依组件的多态复杂系统故障树分析

为精确评估可重复使用火箭发动机系统可靠性,采用带约束变量的布尔算法将状态分析与故障树分析恰当结合,从而对含故障统计相依组件的复杂多态可重复使用火箭发动机系统进行可靠性分析.以航天飞机主发动机（SSME）为研究对象,对管路多态性及预燃室和涡轮泵之间的故障相依性进行深入研究.结果表明:该布尔算法能够很好地消除组件统计相依性从而简化复杂多态系统故障树,组件之间失效相依性对系统可靠性影响较大,因此需要加强组件多态及相依性的研究来获得更精确的系统可靠度.      

等离子体助燃含硼富燃燃气燃烧实验研究

等离子体能够有效地改善燃料的燃烧速率,缩短点火时间,改变火焰稳定性,被认为是最高效的辅助点火方法。为了验证等离子体对含硼富燃燃气燃烧的增强特性,利用一套带透明窗的燃烧实验装置开展了多次实验研究。实验结果表明,在补燃室环境中加入等离子体可使富燃燃气点火位置靠前,燃烧火焰面变大,高温反应区前移,从而改善了硼粒子的燃烧环境;通过计算对比有/无等离子工况下的补燃室二次燃烧效率,表明加入等离子后可使得补燃室二次燃烧效率提高5%以上,且随着放电功率的增加,等离子体助燃效果也显著增加,补燃室中增加的燃烧热与等离子体放电功率比值大约在7左右。     

未来航天技术中的化学推进系统

在今后的航天技术中,动力装置将向着高性能、低成本、多用途、可重复使用的方向发展.综合研究公司最近就航天技术中化学推进系统的发展作了如下的预测.作为航天飞机主发动机的地球轨道发动机,高压、分级燃烧的O_2/H_2发动机是第一个可重复使用的发动机,在今后若干年内,其性能可望得到改善.先进的可重复使用的O_2/C-H发动机技术将继续进行研究,估计在九十年代的中期到后期可投入使用.采用C-H燃料后,提高了推进剂的密度,不仅可增大推力,而且在很大程度上改善了推进系统的推-重比.C-H燃料体系容易实现压力最佳化和使用高空补偿喷管.但需为先进的O_2/C-H发动机研制预燃器、气体发生器和冷却系统.到九十年代中期,航天飞机主发动机的设计性能将提高10～30%.     

低压比煤油涡轮数值计算与优化设计

小流量煤油涡轮泵可用于膨胀循环超燃冲压发动机燃料供应系统,针对特定工况提出了超临界/裂解态煤油基低压比涡轮的数值计算方法和优化设计策略。根据液体火箭发动机中典型的涡轮设计方法获得了低压比煤油涡轮的设计方案,采用湍流模拟方法结合煤油的多组分代理模型对25kr/min转速下的涡轮内部超临界态流动进行数值计算,发现设计方案的轴功率超过所需轴功率的120%,不利于涡轮泵系统在设计点工况下的稳定运转。取涡轮轴功率大于所需轴功率为约束条件,选择涡轮结构尺寸为设计变量,以两个目标量(优化方案的轴功率和效率相对于设计方案的变化率)的加权函数值最大为目标,基于响应面模型和多岛遗传算法开展渐进优化,优化过程中采用i SIGHT平台集成了3维参数化建模和流场仿真等C++程序和软件以实现数值计算自动化。利用试验设计方法建立样本数据库,并进行了涡轮轴功率和效率关于设计变量的灵敏度分析,发现二者成合作关系;所得涡轮优化方案的两个目标量分别下降16.5%和2.9%,以较低的效率损失为代价实现了轴功率的良好配合。     

AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值研究

为研究AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性,使用二维三明治模型进行了数值仿真研究。该模型使用简化的四步总包反应机理,考虑燃烧过程中的燃面退移,计算时大粒径AP取平均粒径,小粒径AP采用“均质黏合剂假设”,认为其与HTPB组成“均质黏合剂”。在0.02MPa-0.08MPa的压强下进行了仿真,并与高压（5MPa）下的燃烧仿真进行对比。结果表明,低压下固相AP对黏合剂的传热导致了交界面处燃面的下陷,下陷程度随压强减小而增大;随着燃烧的进行燃面各点燃速趋于一致,燃面形状不再改变。低压下气相反应表现为预混燃烧,初焰为主导反应。低压下燃速仿真与实验值基本一致,压强指数小于高压下的压强指数。     

液氧/煤油发动机涡轮泵密封材料的研制

通过预制体、复合工艺路线及参数的选择,进行了高压补燃液氧/煤油发动机涡轮泵用高性能C/C密封材料的研制,分析了预制体、复合工艺对材料性能的影响.结果表明,以针刺无纬布为预制体,进行CVD碳、树脂碳和沥青碳致密,最高热处理温度为2 500℃,最终进行封孔处理所制备的C/C复合材料综合性能良好,其密度为1.92g/cm^3,开孔率0.06%,轴向压缩强度232 MPa,轴向弯曲强度158 MPa,肖氏硬度为77.该密封材料构件成功通过液氧/煤油发动机热试车考核,显示出了在该领域的应用前景.     

基于直扩流道构型的RBCC发动机亚燃模态高效燃烧组织研究

针对支板喷注煤油和一次火箭引导燃烧的RBCC发动机,在亚燃模态下的高效燃烧组织和性能开展了实验研究和数值分析.实验验证了在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭产生的高温射流作为引导火焰,可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和高效稳定燃烧.通过数值模拟获得了燃烧室的详细流场特征和燃烧组织细节,分析表明支板后方集中的燃料热释放可形成扩张燃烧室流道中的“热力壅塞”;通过热力喉道的控制,实现了在直扩流道内的高效燃烧.研究表明:发动机在亚燃模态下燃烧组织应尽可能地使热力喉道处于燃烧室较后位置,使燃料在燃烧室高压区内充分燃烧释热,从而提高其燃烧效率.论文还研究了燃料支板喷注位置的影响,进一步开展RBCC发动机亚燃模态性能的优化.     

航空工业部莫文祥部长在北京航空工艺研究所视察工作时的题词

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一种小型全流量补燃循环火箭发动机实验装置

介绍一种新的液体火箭发动机动力循环型式—全流量补燃循环的概念及其相对于其它动力循环的优点。为研究这一先进的循环系统,设计了一套小型全流量补燃循环氢/氧火箭发动机实验装置。结合该装置的系统方案,对其进行一维管路计算;通过对2个预燃室进行热力计算,确定了其燃烧温度和预燃气体的热物理性质;在燃烧室压强和混合比大范围变化的情况下,对氢氧推进剂的比冲特性进行探讨,以此确定燃烧室压强为4.0MPa,推进剂余氧系数为0.75。最后估算出该实验装置所能产生的推力为4018.77N。      

重复使用液体火箭发动机涡轮泵安全寿命预估方法

利用复杂系统寿命分布模型和故障树分析（FTA）理论建立了涡轮泵的安全寿命预估方法,并以航天飞机主发动机（SSME）高压液氢涡轮泵（HPFTP）的安全寿命预估为例,对该方法进行了说明。研究结果表明：(1)当待考核的HPFTP关键部件数大于10时,其寿命模型可以用指数分布近似表示,数目越多近似结果越可靠;(2)HPFTP的平均无故障工作时间（MTBF）为76 917 h,平均维修时间（MTTR）为8 879 h,0.998 8可靠度对应的安全寿命为25 575 s,可安全使用49次;0.999 6可靠度对应的安全寿命为8 521 s,可安全使用16次;安全使用11次对应的可靠度为0.999 7;(3)HPFTP涡轮叶片和喷嘴对应的关键重要度分别是0.217 5和0.216 6,集液器和叶轮对应的关键重要度都是0.174 2。该研究方法可为液体火箭发动机涡轮泵等复杂组件可重复使用性研究提供一定的参考。