喷管性能的化学动力学分析

应用化学平衡流动和化学反应动力学的方法对某液体发动机喷管进行计算，得到了不同面积比下的燃气参数和发动机性能参数分布。小型液体火箭发动机的化学动力学损失比较大，性能接近冻结流动的结果。化学动力学损失主要产生在喷管初始膨胀部分，随着面积比的增加，化学动力学损失增大。     

液体火箭发动机电动泵系统发展及性能研究

介绍了液体火箭发动机电动泵增压系统的发展历程以及电动泵系统核心组件的特点,提出了考虑离心泵效率及电源系统放电特性变化的电动泵系统质量模型。电动泵系统中质量占比最大的组件为电机和电源系统,质量敏感性分析表明离心泵效率对系统质量的影响最大。通过对比不同推力、室压和工作时间下的电动泵系统与涡轮泵系统(燃气发生器循环)质量发现,电动泵系统在不同发动机推力下对应室压极限,低于该极限值时电动泵系统存在质量优势,且该室压极限值随着发动机推力增大而提高。最后,针对电动泵系统进一步减重增效,梳理了各组件涉及的主要关键技术,并提出了发展建议。     

高速屏蔽电机涡流与水摩损耗试验

为研究高速屏蔽电机在运行过程中的涡流损耗和水摩损耗,设计了一台额定功率7.5 kW,额定转速15 000 r/min的高速屏蔽电机,通过搭建屏蔽电机湿式空载试验系统进行不同转速下的干式与湿式空载试验,并对比分析了测试结果和电机损耗预估公式计算结果的差异。试验表明:定子屏蔽套涡流损耗和转子与冷却介质间的水摩损耗对高速屏蔽电机的效率影响较大,即使电磁设计较优的高速电机在加入屏蔽套后效率仍然下降约20%～30%;电机损耗预估公式的准确性取决于经验系数的选取,在高速情况下需要修正;通过对定子屏蔽套厚度、屏蔽套材料、电机转子直径等进行优化设计能进一步提高高速屏蔽电机的运行效率。     

基于氢化镁的核电/核热双模共质空间核动力技术

针对未来空间任务对能源和动力日益提高的需求,提出了基于氢化镁的核电核热双模共质空间核动力技术。该技术以一种储氢密度高、热稳定性较好,能够以常温常压储存的氢化镁作为工质,通过核能加热后氢化镁分解成为核热推进可用的高压氢气和电推进可用的单质镁,并结合高效动态热电转换系统,形成大功率核电源、大功率超高比冲核电推进、高比冲氢气核热推进以及大推力镁核热推进多种工作模式。基于氢化镁的多模共质空间核动力技术解决了低温推进剂、气态工质在空间应用时的存储安全性和存储密度低的问题,其具备的多种工作模式能够针对不同任务需求提供相应的能源或者动力输出,提高核动力飞行器任务能力。     

HAN基单组元发动机均匀分配喷注器设计及试验研究

硝酸羟胺基（简称HAN）推进剂要比肼类推进剂稳定,将相同质量的HAN基推进剂完全分解,HAN基推进剂所需的时间要比肼推进剂要长。为了增大推进剂与催化剂的初始接触面积,使推进剂在催化床内均匀分布,开展了发动机喷注器的均匀分配方式研究。通过采用VOF模型对新型喷注器结构的喷注过程和雾化效果进行数值仿真研究,为喷注器结构优化提供理论支持。同时通过三维PDA（Phase Doppler Anemometry）测量系统,获得了两种喷注器结构雾化液滴空间上的密度分布、直径大小以及轴向速度等对比情况。最后,通过地面热试车试验,对两种喷注器结构的发动机在脉冲温启动、稳态工作性能及燃烧反应特性等方面进行了对比,带喷注芯体的喷注器结构在开机响应特性和燃烧性能方面都更好。     

喷管性能计算的软件实现

基于化学平衡和化学动力学理论，用C^ 和FORTRAN编写了液体火箭发动机喷管性能一维计算软件，软件建立了相关的推进剂数据和化学反应数据库，使计算很简便，针对某型号发动机进行计算，得到了特定条件下发动机的性能参数和化学动力学损失等。     

发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷试验

为了获得大面积比喷管在发动机起动/关机过程中的侧向载荷，搭建了喷管侧向载荷冷流试验系统，通过测量应变管感知的喷管侧向载荷和通过加速度传感器感知的喷管振动载荷，分析发动机起动/关机过程中喷管侧向载荷的变化规律。试验表明:试验喷管在发动机起动/关机过程中均存在3个峰值侧向载荷，起动过程中分别对应着初始正激波向稳定自由激波分离的转变过程、自由激波分离向受限激波分离的转变过程以及分离激波结构处于“末端振动状态”，关机过程则恰好相反，而且关机过程相对起动过程的峰值侧向载荷发生压比存在一定的迟滞效应；喷管壁面的周向应变对侧向载荷非常敏感，而壁面轴向应变却基本不受喷管侧向载荷的影响；喷管侧向载荷是激励喷管振动的主导因素，并在试验喷管发生“末端振动效应”时，振动加速度峰值达到最大为80g。      

运载火箭气氧/煤油姿控发动机技术研究

为实现空间推进系统的无毒、无污染、低成本、高性能和高可靠性,在国内首次研制了运载火箭辅助动力系统气氧/煤油发动机。以推力150 N的气氧/煤油发动机为研究对象,给出了点火、喷注器及身部冷却、阀门等的设计方案。介绍了研制中突破的小姿控发动机电脉冲点火器、气/液组合的有效混合、发动机稳态工作时的烧蚀,以及高空真空点火等关键技术。计算了气液两相流稳态燃烧流场并进行了氧化剂路气流试验。地面热试车和高空模拟热试车的结果表明,电脉冲点火器可实现发动机的可靠点火,采用同轴离心式内混合喷注、铌合金液膜辐射冷却方案的该气氧/煤油发动机真空比冲可达2 800 N.s/kg,脉冲工作大于3 000次,但真空中发动机的冷却仍需进一步研究。     

过氧化氢单元催化分解火箭发动机研究

针对航天器推进系统的无毒化,设计了推力为200N的过氧化氢单组元催化分解发动机。发动机喷注器、催化剂床以及分解室结构设计合理,催化剂连续工作时间长,90%浓度过氧化氢适合催化分解,发动机、过氧化氢、催化剂三者匹配性良好。