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。     

尺度效应下大功率伺服电机再生冷却通道超临界态甲烷传热特性研究

针对飞行器电动执行机构的大功率伺服电机强化散热问题,建立了不同尺度的电机缠绕式螺旋管再生冷却通道数值模型,对超临界态甲烷在尺度效应影响下的传热特性和机理进行研究,探讨了不同尺度冷却通道中超临界态甲烷所受重力浮升力和离心浮升力对传热性能的影响.结果表明,离心浮升力及重力浮升力均受到超临界态甲烷热物性剧烈变化的影响;在相同...     

液氧甲烷变推力发动机螺旋槽再生冷却传热特性研究

为探究宽工况范围下螺旋槽再生冷却的传热特性,基于微小通道内低温工质的相变传热模型,采用一维传热计算方法,对5 kN级液氧甲烷变推力发动机开展了螺旋槽再生冷却传热特性研究。结果表明：本文所采用的传热计算模型可用于传热预估,与试验结果相比,冷却剂温升误差为4.3%,压降误差为1.1%,喉部处外壁温误差为-11%,在工程计算可接受范围内;相比于直槽,螺旋槽再生冷却能有效降低燃气侧壁温,同时,在宽范围变推力条件下,实际功率水平越低,冷却剂温升、压降越小,喉部燃气侧壁温越低,但“传热恶化区”内的壁温最大值反而越高,当发动机推力由额定工况的75%调整至20%时,燃气侧壁温的最大值由1 351 K增大至1 399 K;综合考虑壁面温度及冷却剂的压力损失,本文对冷却通道开展优化设计,对比四种冷却通道方案的传热性能,其中,方案4为最优方案,20%额定功率水平工况时,冷却剂温升为491 K,压降为0.34 MPa,燃气侧壁温最大值也仅为1 297 K,较初始设计方案降低了102 K,远低于材料的极限温度。     

2D C/SiC-ZrB2复合材料的烧蚀性能

用ZrB2微粉对2D C/SiC基体进行改性,研究了化学气相渗透结合浆料浸渍及先驱体浸渍裂解工艺制备2DC/SiC-ZrB2复合材料在氧-乙炔焰和1800℃甲烷风洞环境中的烧蚀行为.结果表明:在氧-乙炔环境中,2D C/SiC-ZrB2的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为6.1×10-2 mm/s和1.0×10 -2g/s,相对2D C/SiC复合材料而言,ZrB2微粉并没有提高C/SiC复合材料的抗烧蚀性能.在1800℃甲烷风洞环境中,涂层致密度起主要作用,涂层致密度相同时,复合材料的开气孔率越大,质量烧蚀率越大,ZrB2微粉的渗入对C/SiC复合材料的烧蚀性能影响不大.     

液态甲烷管道预冷过程的仿真研究

低温推进剂液体火箭发动机在推进剂加注时需要进行管道预冷以避免推进剂气化。为揭示管路预冷过程中低温流体的两相流动特性,针对小型液氧/甲烷发动机液态甲烷管道的预冷过程进行了研究。采用Lee蒸发模型,模拟并分析了不同入口流量下的湍流传热过程,得到了管道预冷过程中甲烷的体积分数、温度、压力和速度的变化规律。结果表明：在管道预冷过程中,液态甲烷会发生闪蒸现象,甲烷的温度和压力的变化是影响闪蒸的主要因素;在低流量时,预冷时间与质量流量呈负相关,当质量流量增大到一定程度后,预冷时间趋于稳定值。研究结果可预示容许时间内的最优预冷流量,对提高预冷效率和改进低温推进剂加注过程具有指导作用。     

组分变化对甲烷氧化特性影响

在射流搅拌反应器实验平台上针对温度范围850~1 300 K、常压条件下的甲烷氧化反应过程进行了实验研究,采用气相色谱仪测量了变组分条件下(当量比范围02~2、氧气体积分数2%~8%、二氧化碳体积分数0~20%、水蒸气体积分数0~20%)主要反应物(CH4、O2)、主要中间组分(C2H6、C2H4、C2H2、H2)和主要污染物(CO、CO2)的摩尔分数,并分析了主要反应物、中间组分以及污染物生成的影响因素和影响规律。研究表明,随着当量比和含氧量的增加,主要中间组分的摩尔分数升高;二氧化碳体积分数的增加对中间产物的生成有微弱的抑制作用,却使得污染物浓度大大增加;水蒸气体积分数的增加导致氢气生成量显著增加,同时促进一氧化碳的生成,而对二氧化碳的生成影响很小。      

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。     

中心分级预混旋流火焰燃烧噪声的实验研究

针对中心分级旋流燃烧器中预混甲烷火焰在常温常压下的燃烧噪声进行了实验研究,主要关注实验工况和限制域结构对燃烧噪声的影响。用声级计测量了燃烧噪声声压级,用带有CH^*滤镜的单反相机拍摄火焰的平均图像。实验结果表明,在主、预燃级空气流量恒定时,总当量比与分层比对燃烧噪声产生了显著的影响,氢气掺入对燃烧噪声无明显影响;预燃级当量比对于燃烧噪声的产生起关键作用,预燃级当量比越接近1.00燃烧噪声越大;相同工况下,预燃级空气流量分配越多,产生的燃烧噪声越大。改变火焰限制域的结构,使用锥形火焰筒可以减少燃烧噪声的产生。本研究还结合带有CH^*滤镜的摄像机拍摄的火焰图像,初步分析了燃烧噪声与火焰宏观结构之间的对应关系。     

方形通道内超临界碳氢燃料传热恶化数值研究

为了深入理解火箭发动机再生冷却过程中碳氢燃料的流动传热规律,采用RNG k-ε湍流模型结合增强壁面处理方法对非对称受热(上壁面外侧加热)方形冷却通道内超临界压力甲烷的对流换热进行了数值研究。重点考察了加热壁面内侧的传热恶化以及由传热恶化和固壁热传导共同作用引起的热流异常传递现象,拟合得到了传热恶化的临界热流密度和起始内壁温关系式、加热侧内壁面和侧壁面内侧平均热流密度的预测关系式。结果表明:当外壁热流密度和质量流速比值高于0.288 k J/kg时,近壁流体流动加速诱发了加热侧内壁面的传热恶化;同时,固体区域温度畸变导致加热侧内壁面热流密度减小,热流更多地向侧壁面内侧传导。运行压力越低,该现象越显著。     

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。