垂直着陆重复使用运载火箭对动力技术的挑战

运载火箭采用垂直着陆方式实现重复使用的需求对火箭各分系统提出了新的挑战,而动力系统面临的挑战最大。垂直着陆重复使用运载火箭要求发动机提供正常的上升段推力外,还需提供运载火箭子级垂直着陆回收过程中的平稳减速力和稳健控制力,因而要求发动机具备可重复使用、大范围推力调节、二次起动、适应回收环境等多种能力,并具备较低成本。本文介绍了美国SpaceX公司开展FALCON 9系列运载火箭一子级垂直着陆回收技术研究和相关飞行试验的最新进展,研究并提出了垂直着陆重复使用运载火箭对动力技术的需求。     

单喷嘴大流量气-气喷注器设计与试验

首先对典型单喷嘴氢/氧同轴剪切式喷注器燃烧流场进行了仿真计算,分析了其燃烧流场特性;并在同轴剪切式构型基础上,为增强掺混、缩短燃烧长度、以适用于大流量工况,进行了改进设计以及相应的数值模拟和试验研究.结果表明:具有高氢/氧动量比和氧喷嘴扩口设计的同轴喷注器可以有效地缩短燃烧长度,并具有良好的热载环境,能够适用于大流量工况.研究结果为设计高效率、可靠热防护的大流量气-气喷注器的设计打下基础,并提供设计思路.      

富氧预燃室初步试验研究

为了研究全流量补燃循环发动机中富氧预燃室的点火以及燃烧特性，对点火方案和预燃室方案进行了分析。通过对多种预燃室结构形式和点火方式的比较，提出了适合于富氧预燃室初步试验要求的点火方案，研制了热表面谐振点火器并采用间接点火方式研制了氢氧火炬点火器。点火器的试验结果表明氢氧火炬点火器能够多次可靠地点火并生成稳定的点火火炬。由于不受谐振产生条件的限制，氢气和氧气的流量和混合比可以在较大的范围内选择，生成点火火炬的温度范围也很宽。对确定的富氧预燃室方案进行了设计加工，经过三个阶段的热试车，富氧预燃室的关键参数均达到了设计要求，结构无烧蚀，工作可靠，完全可以满足全流量补燃循环发动机系统对富氧预燃室的要求。     

一种单喷嘴推力室燃烧内流场的方法

为了方便开展单喷嘴气气喷注器燃烧试验研究,设计了一种燃烧室壁面测温,并结合推力室燃烧流场的非稳态数值模拟的方法,以考察燃烧室内流场的发展和燃烧完成情况.应用试验数据对不同的湍流模型和燃烧模型进行了对比研究,得到与试验结果较为吻合的计算模型.并应用该方法开展了同轴剪切式喷注器氢/氧喷注动量比、燃烧室压力变化的试验研究.试验结果表明喷注器掺混燃烧效果随氢/氧喷注动量比增加而增强,而不随燃烧室压力的变化而变化.     

氢/氧气-气喷注器冷流掺混与燃烧比较的仿真研究

分别采用无化学反应的和带化学反应的湍流N-S方程描述发动机内流动过程,对气-气同轴剪切式单喷注器进行了冷流掺混和燃烧的仿真.其中化学反应速率由Arrhenius公式计算,采用9步详细反应动力学模型来描述氢氧反应.对典型冷流和燃烧仿真结果进行了比较,结果表明燃烧掺混速率明显小于冷流掺混速率;并对同轴喷注器关键参数对冷流和燃烧掺混的影响进行了仿真和分析比较,得到速度比、缩进量和喷注流量的影响是一致的,而喷注速度的影响是相反的.      

全流量补燃循环试验发动机启动过程

分析了全流量补燃循环发动机系统启动过程难点,针对全流量补燃循环缩尺发动机热试车启动过程,分别就发动机中富燃/富氧预燃室的自身启动和相对启动过程进行了设计;采用管路-体积组合模块化方法,建立了发动机启动过程仿真模型,进行了仿真计算。按设计启动方案进行了多次热试车,试车结果表明发动机点火可靠,启动过程平稳,无烧蚀现象,且仿真结果很好地预示了热试车情况。     

单喷嘴燃烧室传热特性的测量方法

为开展燃烧室的传热特性等研究,采用了以紫铜作为材料的容热式推力室身部,通过测量热试车过程中身部壁温,来获得推力室内壁温度、热流沿轴向的分布。为测量数据设计了数据处理方法,以利用测得的温度值获得内壁温和热流值,且进行了主要误差估计。将该方法在气气喷注器推力室上进行了应用,研究了其传热特性。     

全流量补燃循环发动机推力室再生冷却技术研究

将层板式大高宽比、薄壁、弹性冷却内衬等新技术采用到全流量补燃循环发动机推力室再生冷却设计上,结合全流量发动机工作特点,建立了冷却通道准一维换热和二维数学模型,得到了推力室轴向热参数分布和危险截面冷却通道的温度场和应力场,得出了采用推力室再生冷却新技术相对于传统模式可以较大地降低推力室喉部内壁温、内衬最大等效应力和冷却压降,从而提高推力室寿命及发动机性能的结论,并初步设计出大推力全流量补燃循环发动机推力室再生冷却结构.      

气气喷注器推力室传热特性研究

设计了单喷嘴气气喷注器容热式推力室,进行了0.92～6.1 MPa范围内7个燃烧室压力工况,共17次热试车;采用壁面测温方法获得推力室沿轴向方向的内壁热流分布,得到各室压工况下燃烧室内壁热流分布曲线,不同工况的热流曲线显示出相似的分布;并从中分离出对流传热热流,得到对流传热热流与室压的关系。为拓展范围,采用多组分湍流N-S方程描述推力室内燃烧流动,采用6组分9步反应模型来描述氢氧反应,反应速率由Arrhenius公式计算,进行了5～20 MPa更高室压范围内的燃烧内流场的数值模拟,并耦合计算了各工况燃气与室壁之间的传热,获得了与试验相同规律的结果。