液氧/甲烷轨姿控推进系统集成演示试验

为验证液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统涉及的主要关键技术和安全操作流程,上海空间推进研究所研制了国内首款氦气恒压挤压式液氧甲烷推进系统演示样机。历时3年,演示样机于2021年底顺利完成多轮次地面热试车考核,系统运行平稳,轨/姿控发动机工作协调、产品状态良好。介绍了演示样机的设计方案、研制历程和集成演示试验结果,以及轨/姿控发动机的设计与试验情况。液氧甲烷推进系统累计完成48次/约6000 s系统冷/热态试验考核,配套的5 kN轨控发动机累计完成点火工作40次/1860 s,配套的150 N/25 N姿控发动机累计完成稳态工作1690 s/脉冲点火约1250次。演示样机热试车的成功,标志着我国液氧甲烷空间推进系统实现了从“0”到“1”的突破,为后续型号工程应用奠定了基础,也为我国液体空间动力的升级换代和可持续发展提供了有力支撑。     

液氧/甲烷液体火箭发动机燃烧研究最新进展

近来,俄罗斯和欧洲正在联合进行一个名为“VOLGA“的研究计划.其主要目标是用于可重复使用运载火箭或大型助推器的液氧/甲烷发动机的概念研究.SNECMA的主要工作是研究预燃室/燃气发生器的可重复使用技术,在液氧/液氢“火神“燃气发生器研制过程中,获得了很多低温推进剂的燃烧经验,但液氧/甲烷富燃燃烧带来了许多新的问题:如喷注性能、燃烧效率、稳定性、积碳形成等.为了解决上述问题,目前正在进行实验和理论两方面的研究.ONERA的马斯喀特(Ma scotte)试验装置就被改造用于研究甲烷的燃烧.最初的研究完成了对低混合比和压力范围在0.1MPa到6.0MPa下的液甲烷和气甲烷同轴喷注技术的评估.各项研究在继续进行,以求对液氧/甲烷低温燃烧问题进行完整的描述和理解.除了上述研究外,还在进行计算流体力学数值模拟工具的更新工作,但是只有一些非常特殊的工况点才需要进行修改工作,这是因为过去的火箭发动机燃烧研究工作已经对液氧/液氢低温燃烧特性有了深入的理解,有很多研究成果可用于液氧/甲烷燃烧研究.目前的主要问题集中在甲烷的高频燃烧稳定性和燃烧化学效应方面.在一个称为INCA的新的燃烧研究计划框架内将对这些问题进行研究.     

甲烷超声速燃烧过程的数值模拟

提出了一种CH4／O2在超声速气流中燃烧的6方程化学反应模型，并且用在超声速高温空气中横向喷射的二维流场进行了数值模拟验证，特别模拟了不同来流条件和壁面条件对燃烧效率的影响及CH4和空气中的氧气混合燃烧的过程。数值方法采用二阶精度的Harten-Yee隐式TVD格式，计算结果表明6方程反应模型能较好地反映CH4／O2的燃烧过程。     

RBCC的可实现性方案-DRBCC分析

提出了液氧/空气/甲烷DRBCC(dual rocket-based combined cycle)推进系统。在该系统中,引射火箭和纯火箭采用液氧/甲烷补燃循环系统。在引射火箭模态,液氧/甲烷富燃预燃过程工作,其富燃燃气作为引射源吸入和加热空气,并与空气补燃。在超燃冲压模态,液氧/甲烷富燃预燃过程产生的燃气可以增强超燃过程或作为超燃模态的燃料,降低超燃模态的技术难度。在纯火箭模态,液氧/甲烷闭式补燃循环系统处于全过程工作状态。因此,在DRBCC推进系统中,引射火箭、超燃模态和纯火箭模态高度融合和兼顾,并采用单一燃料,使液氧/空气/甲烷DRBCC推进系统具有良好的可实现性。     

60t级液氧/甲烷发动机起动过程建模与仿真

为制定可靠的发动机起动程序,围绕60 t级液氧/甲烷发动机起动瞬态特性开展了一系列建模和仿真研究.介绍了60 t级液氧/甲烷发动机系统方案,列举了发动机系统仿真模型,搭建了全系统瞬态特性仿真平台.根据仿真结果选取了箱压下点火起动方案,提出了设置甲烷涡轮燃气旁通以降低亚临界两相气阻风险的解决方案.试验结果表明,发动机主要性能参数的计算结果与试验数据一致性较好.     

低功耗甲烷气敏元件的制备及气敏性能研究

甲烷气体通常需要在较高的工作温度下工作,要达到这个工作温度区间,元件体电阻越大,功耗也就越大;要降低功耗,就要降低元件体电阻.本文所述元件是在SnO2敏感膜材料中掺入Pd,Sb2O3,Al2O3等添加剂,制成微珠式元件,从而大大降低了元件的体电阻,设计出一种低功耗CH4气敏元件.此种元件在低于150 mW的加热功率下,在5000×10-6的CH4气氛中灵敏度可达到3以上,响应时间小于10 s,且具有良好的选择性和稳定性.     

城市生物有机垃圾中高温厌氧消化实验研究

厌氧消化技术作为处理有机废弃物工艺的一种方法,近年来更多的被应用于城市生活垃圾的处理当中。为了比较中温(37℃)和高温(55℃)下的厌氧消化,将pH值、沼气和甲烷的产量以及沼气中甲烷含量作为重要参数,分析这些参数在厌氧消化过程中的变化。以沈阳市有机生活垃圾为原料的实验表明,在高温消化中,沼气和甲烷的累积产量分别比中温下高出16.7%(Vol%)和8.2%(Vol%)。表明采用中、高温厌氧消化工艺更适合处理沈阳市生物有机垃圾。     

甲烷掺氢稀释燃烧的燃烧及排放特性试验

在一台转速固定的火花点火发动机上进行了CO2稀释对H2-CH4混合燃料燃烧及排放性能影响的试验研究.结果表明,在一定F.D.R.和H.S.R.范围内,稀释燃烧对BMEP和热效率影响不大,NOx排放量则明显下降.在较高F.D.R.条件下BMEP、热效率、THC以及CO排放均有所恶化,但在一定的F.D.R.条件下仍能够建立起较大的以热效率和NOx排放为依据的甲烷掺氢稀释燃烧理想燃料条件范围.     

液氧甲烷变推力火箭发动机再生冷却特性研究

为研究液氧甲烷发动机再生冷却亚临界甲烷传热特性及变工况,尤其是低工况条件对再生冷却通道传热特性的影响,基于实验获得了微小通道低温工质相变传热模型,针对5000 N级、推力变比10:1的液氧甲烷膨胀循环变推力发动机方案,开展了亚临界甲烷再生冷却通道设计和传热特性分析.计算结果表明:亚临界条件下,甲烷干度在0～0.6之间为...     

火星液氧/甲烷推进剂原位制备技术研究进展

火星是人类深空探测的重要目标之一。利用火星上的大气、水等资源原位制备液氧、甲烷等推进剂,不仅为火星探测器返回地球、开展长周期火星探测等提供能源,也为人类建立火星生命保障系统提供必要的物质基础。分析了火星推进剂原位制备的重要性,对推进剂原位制备的资源、技术方案进行了对比分析,并重点叙述了CO_2捕集、水资源获取等方面的研究进展,以期为该领域相关研究提供参考。