下一代可重复使用飞行器发动机

下一代可重复使用飞行器的最新方案集中在单级入轨系统上。在设计满足飞行器性能要求的发动机时,就对推进系统提出了很有意义的挑战。同时要求有效寿命周期费用比现有的运载器低。空军菲利浦试验室的推进管理局正在对可用于下一代发动机的技术进行攻关。这些技术包括:全流量发动机循环,LOX 和 H_2涡轮泵的流体静力学轴承、线性气动塞式喷管技术以及太阳能推进、化学推进和电推进的上面级发动机技术。这些技术不仅可用于可重复使用的飞行器上,而且还用于一次性使用的飞行器上。     

未来运载器液体火箭发动机推力室技术研究

Astrium的航天基础技术分部(SI)正在研究下一代部分可重复使用和可重复使用液体火箭发动机的相关技术.本文总结了对以下主推力室组件所进行的技术研究工作喷注器、主燃烧室、喷管延伸段.对于高性能分级燃烧循环发动机,先进喷注器的研究重点是气态推进剂的喷注.已经为Astrium的燃烧室设计了能够喷注液氧、冷却剂氢和预燃室热气体的喷注器.另一项工作是低成本喷注器方案研究,使单喷嘴的质量流量为标准喷嘴的四倍.对于主燃烧室,可以预见的可用技术是提高可重复使用推进系统中推力室的寿命.本文研究了一种弹性内衬和一种先进热防护壳体.文中给出了这两项技术的缩尺燃烧室试验结果.另一项主要工作是增加先进高性能胀膨循环发动机燃烧室壁的热传导.本文汇总了不同结构的缩尺燃烧室试验结果.对于喷管延伸段,研究重点是陶瓷基复合材料喷管延伸段,最近对缩尺试验件进行了试验,将燃烧室试验压力提高到8MPa.对于未来的高面积比方案(HARC),最近正在设计一种热量测量喷管延伸段,用于测量在满流和分离流状态下的热传导.     

液体火箭发动机喷管延伸段制造新技术

对未来液体火箭发动机喷管延伸段制造技术——激光焊接夹层结构的加工工艺进行了详细的论述,包括内外壁的成型、加工、激光焊,以及已申请专利的焊缝跟踪系统等,最后介绍了此工艺技术的后续发展及未来应用。     

轻质钛合金喷管在氢氧发动机上的应用研究

为降低发动机质量,提高其推重比,将轻质高温钛合金TA15用于液氢液氧发动机推力室喷管,模拟了全尺寸再生冷却钛合金喷管的工作特性,设计了TA15钛合金铣槽式再生冷却缩尺喷管,采用扩散焊工艺生产了缩尺喷管试验件,成功进行了热试验.试验结果表明钛合金氢再生冷却缩尺喷管在高温富氢燃气环境下能够短时间安全稳定工作,传热可靠,最高气壁温达1 017 K,冷却通道流阻及氢温升实测值与计算结果基本一致.最后简要介绍了钛合金的氢脆特性.     

以RD——0120发动机为基础的可重复使用火箭动力装置

美国和俄罗斯在国际上首先开展了低成本运载有效载荷到轨道的研究工作。政府和火箭承包商正在论证和研究未来低成本运载火箭的关键特性,低成本运载火箭的两个关键特性是火箭的可重复使用性和火箭发动机的可操作性。由化学自动化设计局设计生产的 RD—0120 LOX/LH_2发动机已经分析验证了的高性能和先进的可重复使用性,使它成为可重复使用运载火箭(RLV)动力装置的关键候选对象之一。这个高室压(21.86MPa)、高性能(真空比冲4466.9m/s,真空推力1961.67kN)的分级燃烧发动机已经在能源号重型运载火箭上成功地完成了两次飞行。研制期间,发动机的长寿命、推力范围、节流和连续工作时问等特性都经过了验证。这些都是低成本、高可靠、可重复使用推进系统的要求。双组元的 RD—0120发动机通过更换富燃预燃室和增加一个煤油涡轮泵也可以很容易的改造为一个可靠的低成本三组元发动机。为了验证这个双组元发动机高的可操作性和可重复使用性,一个由航空喷气公司、化学自动化设计局和 NASA 马歇尔空间飞行中心合资生产,用于可重复使用运载火箭和单级入轨火箭动力装置的国际计划及三组元发动机可能的关键特性设计正在进行。本文对现在的 RD—0120发动机可操作性和重复使用性的改进进行了阐述。而且对如何更进一步地改进,使 RD—0120发动机成为可重复使用运载火箭推进系统的理想候选对象进行了研究。另外,已经草拟了研制三组元的 RD—0120发动机的研制计划,主要是一个高置信度的飞行演示火箭。     

大型液体火箭发动机喷管数字化铣槽加工系统

针对大型液体火箭发动机喷管几何尺寸大、廓形复杂、结构刚度低致使其冷却通道加工质量难以保证的难题,提出一种集“测量-数据处理-铣槽”于一体的喷管冷却通道数字化加工新方法,并在开放式数控平台上开发出喷管专用数字化铣槽加工系统。该方法利用喷管几何外廓的实际测量信息再设计出槽底曲面,进而实现高次曲线或参数曲线廓形、变壁厚变槽深喷管冷却通道的数字化加工。通过某型号火箭发动喷管的实际加工,表明所研制的双通道立式铣槽加工专用装备与系统可满足我国新一代大推力液体火箭发动机喷管冷却通道高质量、高效、高可靠的制造要求。
     

液体火箭发动机喷管冷却槽数字化加工技术

主要针对现有液体火箭发动机喷管冷却槽数字化加工方法与工艺技术存在的精度保证与效率提升难题,在已开发的加工工艺和加工系统的基础上,重点研究了局部光亮面蓝油处理技术,在喷管光亮面均匀涂抹蓝油以降低局部反光程度,局部光亮区域经蓝油处理后的激光测量精度得到改善.激光传感器可靠校准技术,借助于三角形辅助支架安装激光传感器在滑枕端部,保证传感器安装后的位置是固定不变.自动清根加工技术是利用软件生成程序,执行清根程序,人工调整角度分度.在某喷管产品上对上述关键加工革新技术进行了工艺试验验证.通过验证试验,加工后的喷管槽深及壁厚尺寸误差均控制公差范围以内,较好地满足了喷管尺寸精度要求.应用于实际生产中,自动化加工比例提升,零件合格率提升,加工效率提高了30％.     

双燃料地球入轨运载工具的火箭喷管膨胀比分析

可完全重复使用的地球入轨运载工具终将扩大现有运载工具如航天飞机的运载能力,甚至取而代之.我们已对两种运载工具进行了讨论.一种是单级运载工具,另一种是两级平行燃烧运载工具,它们在起飞时都同时采用烃和氢发动机,到达轨道前,烃发动机熄火,由氢发动机推进来爬升到轨道.在以前的研究中,航天飞机主发动机(SSME)是采用氢发动机和双位喷管,喷管膨胀比为40和150.     

惯性末级火箭的可延伸喷管获得批准

美国空军和航宇局已决定在惯性末级火箭的两台固体发动机中较小的一台上使用可延伸喷管。这样,惯性末级将成为第一个使用近几年发展起来的可延伸喷管技术的火箭。这种较小型发动机的主喷管,从喉部到出口面长约0.80米,利用套装在一起的两个碳碳出口锥,喷管可分两步延伸。每次使喷管伸长0.6米,即第一步伸长到1.4米,尔后达到2.0米。经两步延伸,将使膨胀比从47.3增加到173.6。可延伸喷管将以成套组件的形式应用。如用于特殊任务,空军的兴趣集中于两步延伸喷     

10吨级高性能膨胀循环发动机的设计研究

本文讨论了10吨级高性能膨胀循环发动机的设计研究,采用的室压超出了目前的钢管极限,以便在给定的钟形喷管设计和发动机长度下改善发动机的比冲性能。发动机的基础推力为100kN,可扩展到150kN。发动机最大长度2.4m,最大质量275kg,最小比冲为4512.6m/s。结果发现采用现有技术或稍加改进就可以实现100kN 的发动机,而150kN 的增强型发动机则需要能提高推进剂热性能的新燃烧室技术.为达到这一目的,Dasa正在实施先进的膨胀燃烧室技术计划。采用可延伸喷管可得到大约68.7m/s 的比冲增量,但以增加重量为代价。对阿里安5增强型低温上面级发动机,要求发动机推力150kN,调节能力为30%。本研究以此作为推力室性能优化的基础,并提前设计了这一新型欧洲上面级发动机。