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。     

液氧/煤油发动机多余物自动检测技术

多余物的控制是航天型号产品研制生产过程中的关键,多余物检查及排除是保证火箭发动机可靠工作的重要环节。针对1 200 kN液氧煤油发动机总装后不能进行多余物检测的问题,采用机械转台将被检查产品进行滚动,使存在于发动机内腔的金属多余物与其内壁发生碰撞和滑动,在此过程中产生的声信号以弹性波的形式传播到产品外壁,通过声发射传感器监测该信号,并转化成相对应的电信号输出,给出多余物有无的判定信息和存在位置的参考信息。通过对发动机多余物自动检测中浮动环及电磁干扰噪声的屏蔽,以及发动机整机多余物自动检测中发动机滚动的转速、传感器的阈值以及触发信号同步接收时间等工艺参数的研究,得到了发动机多余物检测的最佳工艺参数,实现了1 200 kN液氧煤油发动机整机多余物自动检测。     

液氧煤油发动机碟形金属密封特性

碟形金属密封是一种精密的封闭式密封结构,在预紧过程和工作过程中表现出强烈的非线性特征,采用试验手段或者线性有限元方法无法对其密封特性进行直观量化研究。为了解决该问题,以1 200 kN推力液氧煤油发动机中的一种小直径碟形金属密封结构为研究对象,采用非线性弹塑性有限元仿真计算方法,分析了密封结构轴向压缩量、各密封面的密封面积及密封应力随加载载荷的变化规律,研究了碟形密封结构的密封机理和轴向刚度特性。分析结果表明:预紧载荷作用后4个密封面均形成密封面积和密封应力,预紧状态下碟形环发生"S"形变形并出现失稳现象,介质的压力载荷和温度载荷造成各密封面的密封性能下降。     

液氧泵机组的自动控制

一般大功率三相异步电动机采用的降压启动、现场操作和预先设置启动时间的控制方式不能适应液氧加注对55kw泵机组自动控制提出的既能适应计算机系统的远距离控制又能根据启动时负载大小自动调节启动时间的要求。本文重点阐述泵机组的启动方式、原理及改造后的控制方式。该种控制方式特别适用于泵机组工作环境恶劣和加注有害介质的场合，为今后发展液氢泵和其它民用大功率泵机组控制方式提供了借鉴。     

液氧泵的轴向力研究

为了解推力平衡装置中的流动特性,以改进装置,对装置中的内部流动作了详细的分析。本文所作的研究取得了令人满意的结果。应用本研究,可对具有平衡活塞、平衡孔、涡流破碎器等的各种组合下的液氧泵轴向力特性有所揭示。本研究方法适用于任何类型的推力平衡装置。     

空天机复合循环推进技术新概念研究——液化空气循环在其中的应用

研究了空天机复合循环推进技术中的一个新概念——以液化空气循环为基础的SERJ组合发动机性能。计算了空气液化后分离为液氧和液氮后组合发动机在不同高度、不同飞行马赫数下的性能曲线,并考虑了液化空气量对组合发动机性能的影响。对计算结果的分析表明,液化空气循环虽然使组合发动机推力下降,但能使比冲有较大幅度的上升;液化空气量过大与过小均不利于进一步提高比冲性能,而是存在一个最佳值。     

液氧中乙炔及氮氧化物的测定

GOW-MAC-592气相色谱仪是带有放电离子化检测器的气相色谱仪,其原理是氦气在直流高压作用下,被电离形成亚稳态的氦（He^＊）和高能光子γ,具有很高能量的高能光子进入电离室使He载气电离和使被测物质电离,电离式如下：     

液氧煤油超临界富氧燃烧中的低频振荡特性实验研究

为了研究液氧煤油在高混合比下的燃烧特性,在模拟燃烧室中开展了液氧煤油在超临界压力环境下的富氧燃烧实验,燃烧室中采用了双离心喷嘴。实验过程中燃烧室压力额定值为6.4MPa,高于液氧和煤油的超临界压力。燃烧室直径为50mm,燃烧室长度约为345mm,燃烧室喉部直径10.5mm。用压力传感器记录液氧喷前压力、煤油喷前压力和燃烧室压力,压力数据的采样频率为2kHz。实验中发现：当混合比为10时,液氧煤油发生较为稳定的燃烧;当混合比为14.5时,燃烧室内出现了20～30Hz的低频燃烧振荡;在燃烧的启动和关机阶段,也出现了相近频率的低频燃烧振荡。液氧和煤油的喷前压力振荡相位均滞后于燃烧室压力振荡,表明振荡的源头在燃烧室。系统幅频特性分析结果表明,燃烧振荡频率与系统频率不耦合。液氧煤油低频燃烧振荡的主要诱发因素可能是高混合比燃烧下的温度效应。富氧燃烧温度低于2200K易诱发低频燃烧不稳定。     

液氧/甲烷发动机评述

简要介绍了国外液氧/甲烷发动机的研究情况。重点论述了甲烷的特点及它用作液体燃料的优缺点。液氧/甲烷发动机具有较高的性能,甲烷有好的再生冷却性能,是一个可供选择的推进剂组合。但由于其密度比冲比液氧/煤油发动机低,使用安全性也不如煤油;性能又比液氧/液氢发动机低,这些都限制了液氧/甲烷发动机的发展和应用。迄今为止,还没有一个液氧/甲烷发动机型号开展研制工作,因而也就不可能有其使用的历史。     

液氧/煤油发动机对大气环境的影响

美国国家航空航天局(NASA)按《国家环保政策法》的要求对液氧/煤油和液氧/煤油、液氢三组元发动机进行了环境方面的评估。本文总结了与此相关的数据、报告及计划。推力为725.76T 的液氧/煤油发动机在水冷却试车中可以211kg/s 的量产生一氧化碳。一氧化碳是《空气清洁法》所限制的标准污染物,除此之外还产生其他大量污染物。运用马歇尔航天飞行中心和斯坦尼航天中心周围地区具有代表性的气象状况进行的扩散模拟,表明该地区的空气可以达到空气质量标准。采用 LOX/RP-1发动机的运载火箭对平流层臭氧的影响要比航天飞机对其影响小三个数量级。