核热火箭发动机系统循环方案分析与设计

核热火箭发动机是未来实现载人火星探测的首选动力方案,其具备高比冲、大推力和长工作寿命等优点。我国在此方面研究较少,亟需开展核热推进技术理论及方法的研究。核热火箭发动机系统循环分析与设计是关键问题之一,对推进系统总体设计有重要意义。分析了3种可用于核热火箭发动机系统循环的方案特点,基于闭式膨胀循环设计了比冲为910 s ...     

复合预冷吸气式火箭发动机热力循环分析

采用热力学第一定律分析法分析了复合预冷吸气式火箭发动机(SABRE)的基本热力过程,得出了吸气模式和火箭模式下的理想循环功和热效率表达式,确定了影响发动机理想热力循环性能的特征参数。结果表明:吸气模式下SABRE核心机采用布雷顿循环,压气机的增压比和循环增温比是影响理想热力循环性能的关键参数;火箭模式下SABRE采用火箭发动机循环,喷管降压比和出口排气速度是影响理想热力循环性能的关键参数。氦气仅仅在发动机内通过换热器换热实现能量在各循环子系统之间的输运,而其本身并无变化,不对发动机的理想循环功和热效率产生影响。     

布雷顿循环和半导体温差联合发电技术在飞行器上的应用

文章针对飞行器燃烧室高温壁面提出了初步的闭式布雷顿循环和半导体温差联合发电方案。首先,建立了简化的理论计算模型,开展了温度场计算分析;然后,根据布雷顿循环发电系统的关键节点温度和半导体温差电材料冷热端温差计算结果,给出联合发电系统的整体发电量和基本性能参数。研究结果为布雷顿循环和半导体温差联合发电系统在飞行器上的应用提供了指导和借鉴。     

兆瓦级探月火箭空间核电源系统设计与性能研究

针对目前空间核电源在深空探测领域功率不足的问题，结合热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的发电方式，提出一种新型空间核电源。计算堆芯有效增殖因子、功率峰值因子、冷却剂空泡系数和停堆深度等安全性参数，并通过分析接收极功函数和碱金属热电转换系统电流密度等性能参数。之后，对比耦合发电系统与原热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的效率，发现新型耦合发电系统发电效率分别较另两种发电系统提高约6％和约10％。最后建立动态模型进行分析，确保核电源可以稳定运行，为大功率核电源设计提供理论依据。     

空间用太阳能热动力发电装置热力参数优化计算

介绍了空间用太阳能热动力发电装置的结构、特点及其应用前景，并以１０ｋＷ闭式布雷顿循环太阳能热动力发电装置为对象，重点对以系统总质量和总当量阻力面积最小为目标 参数进行优化计算。计算结果为此类发电装置提供了选取涡轮压比，压气机入口温度等参数的方法。     

气动增压空间推进系统及相关技术试验研究

简要介绍了气动增压空间推进系统方案及组成,开展了基于气动增压原理的新型发动机技术试验研究,重点分析了气动增压空间推进相关技术试验结果和系统性能。结果表明,气动增压空间推进系统同时具备多次起动和高室压的优点,相关技术得到了验证。     

闭式布雷顿循环核心机调控过程仿真分析

为了保证闭式布雷顿循环核心机在空间核电推进系统内能够稳定运行,需要在其调控过程中同时控制多个系统变量参数,设定合适的初始状态和调控策略.通过对整个闭式布雷顿循环的系统仿真,模拟了不同初始压力的情况下核心机在升速加载过程中的系统参数变化情况.在核心机转速与反应堆加热协同配合的调控策略下,压气机在整个升速加载过程中可以始终...     

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。     

400kW空间堆布雷顿循环系统运行特性分析

针对百千瓦级大功率航天任务需求,基于Simulink平台开展空间核反应堆直接布雷顿循环系统特性分析研究.根据直接布雷顿循环反应堆系统设计方案,通过对系统中各个关键设备的模块化建模,开发反应堆系统一维系统分析程序,实现了反应堆系统稳态及动态响应特性分析.重点分析了稳态特性、阶跃引入反应性、反应堆升功率和持续步进引入反应性...     

空间核动力技术概览与发展脉络初探

在概略介绍现有技术方案基础上,初步探讨空间核动力技术的发展脉络,并分析其未来发展方向.基于固体核反应堆的空间核电源、核电推进及核热推进,是经过试验验证可行、具有一定技术基础并可预期实现空间应用的空间核动力技术.更先进的概念方案包括:基于气体核反应堆的核电源/核热推进、脉冲核爆推进、核裂变碎片推进等,它们的性能逐代跨越直至逼近理论极限.要充分利用核能的潜力,一方面需要提高单位质量核燃料的核能释放率,另一方面也需要减少核反应产物动能转换为无轨热运动的比率.核能潜力的充分利用需要以增加系统质量为代价.为满足未来宽广的空间任务需求,多物理机制驱动的大深度变工况一体化核能空间动力系统是未来必然发展趋势.     

30%SiCp/Al复合材料空间服役温度环境适应性研究

30%SiC_p/Al复合材料具有较高的比强度和比刚度，应用于火星车驱动组件需满足空间环境温度下的高强韧性和高尺寸稳定性需求。文章对粉末冶金法制备的铝基碳化硅复合材料开展了空间环境地面模拟试验，分别从力学性能、组织结构和热物理性能等方面对材料的大温域空间环境适应性进行系统分析。结果表明，材料的力学性能和热物理性能随温度呈现规律性的变化，且具有各向异性:低温条件下抗拉强度提高，线膨胀系数降低；高温条件下冲击韧性提高，导热系数降低；经高低温循环后残余应力降低，抗拉强度提高，线膨胀系数各向异性降低。在此基础上，初步分析了铝基碳化硅复合材料受不同空间温度环境影响，力学性能和热物理性能发生变化的内在机理。     

大型空间环境模拟器冷氮气回收技术

文章结合大型空间环境模拟试验的特点对林德循环和克劳特循环两种液化方法进行改进,提出节流膨胀和涡轮膨胀两种回收方案。计算出它们的较佳运行参数,分析和比较了两个方案的技术性和经济性,为我国空间环境模拟设备冷氮气回收系统研制提供了有益的参考。     

TSPR涡轮增压器出口方式对掺混燃烧的影响

针对涡轮增压器出口气流进入涡轮增压固冲发动机(Turbocharged Solid Propellant Ramjet,TSPR)补燃室后,因同轴流动而造成掺混燃烧效率不高的问题,通过对比研究ATR(Air Turbocharged Ramjet)及固冲发动机掺混燃烧增强手段,形成了一种可有效增强TSPR补燃室掺混燃烧效果的方案。继而通过数值模拟的手段对该方案的有效性和内在机理进行了讨论。最后通过TSPR工作模式的数值模拟,发现在不同富燃燃气余气系数状态下补燃室效率均能保持90%以上,验证了该方案的有效性和适用性。根据这些研究,该文认为保留驱涡燃气高速旋流配合增压空气采用一定射流角度进入燃烧室的出口流动方式能够使TSPR补燃室有效工作,燃烧效率相对原有ATR模式能够提高1倍以上;其中涡轮的旋转速度高于40 000 rpm时,经过涡轮膨胀做功的驱涡燃气使发动机比冲和补燃室温度分布情况都比较理想;增压空气采用40°~50°的射流角进行斜向射流对发动机比冲性能提高和补燃室内温度分布改善是比较有利的。     

核热推进地面试验技术研究

核热推进具有比冲高、推力大等特点,在载人深空探测和星际货运任务上具有广阔应用前景。核热推进技术的研发需要进行大量地面试验。首先回顾了美国与俄罗斯的核热推进地面试验技术的发展,对地面试验技术进行分类总结。然后基于一种小型核火箭方案,研究了燃料元件非核试验、燃料元件辐照考验试验和带核整机地面试验等关键地面试验技术,并提出了初步试验方案。最后对我国核热推进地面试验的发展提出了一些建议。     

航天器双组元推进剂增压方案的评价

对双组元系统的增压方案作了评价,着重论证了简易增压系统在技术上的可行性;对具有推进器特性和各种增压/输送系统变量,包括增压气体溶解度的计算机模型进行了研究.所有的方案都能满意地达到推进剂剩余量很低的要求,推进器试验数据表明,下吹式增压操作的各项要求都能得到满足.评价研究结果表明,对于较大的推进剂负载,使用箱体再增压的比较简单的双组元下吹系统,可以替代较复杂和昂贵的调压系统.     

大型双组元排放推进系统的设计与研制

对大型双组元推进系统进行增压改进,使其新系统完全不同于目前的压力调节系统。从推力室设计、性能及系统结构三方面考虑,新方案的工作条件均有重大的技术改进,通过推力室热试对系统水平进行了测试,并对推进系统的排放方案的寿命期限进行了验证。     

大型空间环模设备液氮系统冷箱设计

液氮系统是大型空间环境模拟设备中的主要分系统之一,液氮流程采用了单相密闭循环、文丘利管、液氮泵增压及阀门冷箱的结构方案。文章重点介绍了阀门冷箱的设计,这是近年来国外大型空间模拟器液氮流程发展的新趋势。     

先进的膨胀燃烧室的设计和研制

本文讨论了推力为222.4kN、上面级膨胀循环发动机先进的膨胀燃烧室的设计和研制。由 Pratt-Whitney 液体空间推进公司完成研制任务,任务来源于美国空军研究实验室(AFRL)的合同要求,用于支持综合高收益火箭技术(IHPRPT)项目。先进的膨胀燃烧室的设计,可以增强冷却剂的换热效果,改善系统的推重比,增加比冲,提高可靠性。这些好处将通过设计、研制、高热流试验以及小型推力室在膨胀循环下承载9.51MPa 室压的能力而得以完成和验证。     

液氧/液氢高压膨胀循环发动机初步试验

膨胀循环具有很好的性能和很高的可靠性,这一点已由普拉特·惠特尼公司的“半人马座”上面级推进系统RL10发动机证实,但是这种循环对燃烧室压力增加和推力增加都有限制作用,因为它仅仅利用了燃料在冷却燃烧室和喷管延伸段时吸收的热能,来推进燃料和氧化剂涡轮泵.建议采用具有内部热交换器的先进方案燃烧室,这种热交换器可以收集许多燃烧热量.叙述使用内部热交换器的高压膨胀循环发动机的主要性能,并给出了这种发动机的初步试验结果.热交换器中的平均热通量是Bartz相关计算值的70%.燃烧性能不会因装了内部热交换器而受到严重影响.     

基于分层燃烧的RBCC发动机热力循环浅析

针对分层燃烧循环RBCC发动机,建立了热力学理论模型,引入压缩效率、加热比和增压比,对RBCC发动机的热力循环过程进行分析,推导了发动机热效率计算公式,探讨了热效率随不同参数的变化及其与各参数之间的关系。分析表明,压缩效率、加热比及喷管压比越高,热效率越大;存在最优增压比,可使热效率达到最高值。