TRW公司的超低成本液氧/液氢助推液体火箭发动机

TRW 公司已经设计、制造并准备测试一台海平面推力为2.89MN 的液氧/液氢火箭发动机.这台发动机的设计给出这样一个启示:对于大型助推火箭发动机,可以通过少量地降低发动机性能而使其制造成本大幅度降低.这种超低成本的助推液体火箭发动机具有极强的生命力。这台泵压式发动机设计的特点是室压低(4.83MPa),从而使发动机主要部件(包括燃烧室、涡轮和供应系统)的成本比高室压设计低得多。这台发动机综合了 TRW 公司论证的针栓式(针阀式)喷注器设计、加衬烧蚀燃烧室/喷管和低成本箔轴承涡轮泵,它们都大幅度地减小了发动机的部件数量、制造成本和试验成本。本文介绍了这台发动机的设计、制造和工作特点,并着重强调了它能大幅度降低发动机制造和试验成本的独有特点。本文还描述了 TRW 公司 Readondo Beach,CA 工厂从计划开始,在不到12个月的时间内设计、制造并组装成功的全尺寸试验样机。     

远程机动导弹固体火箭发动机总体性能优化设计

本文介绍针对某一远程机动导弹固体火箭发动机建立的优化设计数学模型.运用该数学模型成功地进行了七个设计变量的寻优计算,所得优化方案与原方案比较,发动机性能得到了明显的提高.该数学模型把热力计算、装药设计、内弹道设计,药柱结构完整性分析、壳体结构可靠性与发动机性能优化联系起来,因此,它是一个较为完整的固体火箭发动机性能优化数学模型.     

先进火力支援系统/SPATR发动机一体化设计——约束分析与任务分析

通过导弹/发动机一体化设计的计算,验证了SPATR发动机在先进火力支援系统(AFSS-Advanced Fire Support System)中的可用性.利用飞航导弹/涡扇发动机一体化设计思路,建立了AFSS/SPATR发动机一体化设计的约束分析和任务分析模型,并给出了算例和分析.简述了AFSS任务剖面和约束条件的给...     

重新设计的航天飞机固体发动机现场接头的设计和热验证

重新设计的航天飞机固体发动机现场接头的内部绝热层是发动机钢壳体和O型密封环的热防护部件.为了防止燃烧室高温燃气到达接头内部,采用了一种无通孔绝热层设计方案.对假想的缺陷和由这些缺陷造成的沿接头粘合面以及O型密封环发展的泄漏通道进行了分析,以验证接头在这些不希望出现的条件下能否完满地起到密封作用.同时还进行了接头中有预设缺陷的发动机的静态试车,验证这种设计对缺陷和由此产生的泄漏通道的不敏感性.试验与分析的结果表明,该设计满足所有的性能和安全要求.     

稳健优化设计及其在固体火箭发动机装药设计中的应用

为了提高固体火箭发动机在干扰因素作用下的性能精度,将稳健优化设计方法引入固体火箭发动机装药设计中。首先介绍了稳健优化设计的基本概念和设计流程,通过装药设计实例分析了稳健优化设计特点及适用性。结果表明,稳健优化设计既可较好地保证设计约束的可行稳健性,又可降低发动机性能在随机因素作用下的散布范围。为解决固体火箭发动机推力不平衡问题提供了很好的解决方法。     

发动机高模试验技术研究

基于ANSYS软件平台,建立了发动机高模试验系统传动轴强度和疲劳数值仿真模型,并进行了数值仿真与分析计算,研究了传动轴强度和疲劳与位移之间的关系,得出了传动轴设计准则.通过对发动机高模试验系统扩压器与氮气破空设备的研究、分析与计算,得出了储能气缸和氮气破空环管的设计准则.采用该设计准则设计的发动机高模试验系统解决了发动机试验启动过程压力过高、回火严重、发动机喷管变形等问题,试验系统满足发动机设计对高模试验的要求.通过该试验系统考核的发动机已成功应用于发射卫星的运载火箭系统.     

MDO关键问题及其在液氧/煤油发动机设计中的应用探讨

多学科设计优化是一种通过充分探索和利用系统的相互作用机制来设计复杂系统及其子系统的方法论,是当前复杂系统工程设计中最活跃的研究领域.大推力液氧/煤油补燃循环发动机设计的多学科本质属性给传统的设计方法带来了新的挑战,在分析液氧/煤油发动机设计的多学科特征基础上,重点讨论了在液氧/煤油发动机设计中应用MDO技术的关键问题,综述了国内外相关领域的研究进展,阐明了在大推力液氧/煤油补燃循环发动机设计中应用MDO的前景.     

液体火箭发动机低成本设计技术

简要介绍了国外液体火箭及其发动机的低成本研制现状,重点论述我国液体火箭发动机低成本设计,尤其是发动机系统、发动机重要组件的结构简化及可靠性设计经验.发动机系统优化与简化设计方法确保了系统简单、零组件数量和组件品种减少,操作性方便.关键组件的预先研究和新型密封结构设计提高了发动机的可靠性.指出低成本设计是降低发射费用的重要措施之一;液体火箭发动机低成本研制应从系统设计着手,力求系统简单可靠;对于要求特殊和薄弱环节的结构运用创新和关键技术攻关得以实现.     

螺栓挤压推力终止系统验证试验

本文总结了螺栓挤压推力终止系统(BETTS)的设计、研制和验证试验。该系统在阿诺德工程研制中心(AEDC)进行了多次冷试,一次海平面热试和两次高空点火推力终止试验,试验所用的发动机是政府向化学系统分公司提供的“民兵”发动机空壳体装药后制成的。通过大发动机热试,证明本计划所验证的这种BETTS可以消除前部碎片,大大地简化药柱和发动机壳体的设计,提高末级性能。另外,这种方法设计简单,从而可以降低推进系统的成本。BETTS用爆炸螺栓和挤压螺栓的组合代替连接喷管法兰和发动机壳体法兰的普通螺栓。接到指令后,爆炸螺栓立即打开,喷管循着挤压螺栓向后平移,发动机气体迅速排出,从而使推进剂熄火。挤压螺栓控制着喷管的移动速度和最大运动行程。以前根据NO.F04611—75—C—0044合同(CSD计划2549)曾成功地在缩比发动机上进行了BETTS热试和在飞行重量的“民兵”Ⅲ第三级发动机上进行了冷试。     

嵌金属丝端燃装药方案绝热层设计方法

根据固体火箭发动机绝热防护模型,提出了一种嵌金属丝端燃装药绝热层设计方法。用该法对某特定发动机燃烧室绝热层的设计结果表明:与动机原绝热层烧蚀相比,用本方法设计的绝热层可在绝热防护达到安全要求的同时,最大化地降低发动机消极质量。     

基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化

固体运载火箭设计属于典型的多学科设计问题,为提高同体运载火箭设计水平和缩短研制周期,提出了基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化方法.建立了固体运载火箭多学科系统分析模型,以卫星轨道设计计算得到的运载火箭关机点参数和最小火箭起飞质量为设计准则.采用物理规划方法构造系统级火箭总体设计优化模型,以发动机总体性能指标为设计准则,采用物理规划方法构造子系统级发动机设计优化模型.通过系统级总体设计优化和并行的子系统级发动机设计优化的嵌套循环,得到满足火箭运载能力的各级固体发动机最优设计结果,即得到内外弹道相匹配的发动机最优推力-时间曲线.     

火箭冲压组合动力系统特征点推阻特性初探

推阻力是火箭冲压组合动力系统的重要特性,研究推阻特性及影响因素对动力系统研发极为重要.对模型动力系统在高空高速点下的推阻力进行了仿真和试验研究,获得了动力系统在火箭发动机模态、火箭/冲压发动机模态及冲压模态、不同余气系数下的推阻力.结果表明:所研究的模型在火箭发动机模态下,火箭发动机推力室在动力系统内产生的推力大于火箭发动机的设计推力;火箭/冲压发动机共同工作条件下,推力大于火箭发动机设计推力与同一余气系数冲压发动机模态推力之和;冲压模态下,动力系统的推力随余气系数减小而增大;理论计算与试验结果相符.     

基于遗传算法的多级固体火箭总体/发动机一体化设计优化研究

在综合考虑发动机设计、火箭气动特性和外弹道关系的情况下,建立了多级固体火箭总体发动机一体化设计优化模型.该模型具有如下特点一是不能保证目标函数和约束是凸集上的凸函数,存在"多峰"现象,二是设计变量含连续/离散混合设计变量.根据上述特点,优化方法选用遗传算法,并对遗传算法进行了改进研究,给出了一种改进的基于方向的变异算子.应用该算法完成了某三级固体火箭总体/发动机十五个设计参数的优选,取得了满意结果.     

塞式喷管火箭发动机的研制

论述了4453N小型塞式环形烧蚀喷管火箭发动机的研制过程,探讨了发动机及其子部件如喷注器、燃烧室、塞式喷管等的设计方法,结合试车数据,应用逐步逼近法设计了高效率的喷管外形.该发动机成功试验了200ms后石墨质的塞杆发生故障.在随后的研究中,提出了几种不同的塞杆方案.最后,就该发动机的发展前景及其可行性做了研究分析.对在亚音速、跨音速、超音速飞行状态下,用CFD研究流场的可靠性做了论述.     

计算机辅助固体火箭发动机的初步设计

固体火箭发动机的初步设计需要确立和评估以大量设计参数为基础的数以百计的结构方案,以便得到最佳的发动机。为了快速地精确地完成参数研究,业已研制出固体火箭自动设计程序,本文将给以介绍。本程序可以从给定的设计标准和约束条件出发,根据选定的工艺,设计各种发动机部件,并建立起最终的发动机结构方案。本程序提供充分的几何详图,使能确定每一被研究结构方案的几何尺寸,而毋庸复杂的计算机程序。本文介绍了在给定直径和长度的条件下,射程最大的发动机的参数研究结果,以说明该程序的能力。本程序是探索最佳发动机的有效工具,也可评估发动机性能对所考虑的各种设计参数的灵敏度。它提供足够详细的部件构形,这将大大减少最终选定的发动机的详细设计工作。     

液体火箭发动机三维数字化协同设计研究

为了创新液体火箭发动机研制模式,提高数字化设计与制造水平,某液体火箭发动机研制采用了三维数字化协同设计模式.采用自顶向下设计模式和多层骨架方案,建立了发动机骨架模型,实现了无纸化接口协调;基于模型定义技术,将设计、工艺、材料和制造等相关信息全部包含在三维模型中,用三维模型完全取代了传统设计模式中的二维图纸;通过建立IPT开展协同设计,工艺人员并行介入产品设计流程,提前了解产品结构、开展工装设计和工艺模型设计.研究结果表明三维数字化协同设计可显著提高发动机研制效率,缩短研制周期,并为三维数字化制造奠定了坚实基础.     

一种基于现有发动机的数值分析方法在液体火箭发动机设计过程中的应用

本文采用多元回归技术对历史上的和目前正在使用的液体火箭发动机求出拟合方程组。发动机的通用方程组仅能用来估计发动机的结构尺寸、干质量、燃科和氧化剂质量流量,以及涡轮泵需要的扬程功率。而本文得到的方程仅需以所要求的发动机推力和推进剂种类作为输入条件,就可以求得新发动机设计的初步近似结果.以现有的发动机为基础建立的设计方程,估计误差大约为±10～20%.本文不仅讨论了数据拟合技术,而且列举了现有的14种液体火箭发动机的30个设计参数.     

涡流阀式固体变推力集成原理样机设计与实验

针对涡流阀式变推力发动机,初步建立了设计方法,并设计了长尾管和环形燃气发生器组合的集成式原理样机,开展了考核试验.实验结果表明,设计的原理发动机实现了设计要求；涡流阀式变推力发动机具有存在旋流损失,可实现推力调节比大于压强调节比的工作特性；实验推力调节比达到9:1.     

偏置比例导引律在大气层外拦截器末制导中的应用

大气层外拦截器采用直接碰撞方式进行目标毁伤,要求脱靶量很小甚至零脱靶量.本文以大气层外拦截器为研究对象,考虑到脱靶量很小和拦截过程中的接近速度比较大,针对发动机只能提供常推力,能多次启动并具有脉冲工作状态,且不具有变推力工作状态的特性,运用偏置比例导引律设计了适合于轨控发动机的开关阈值.数学仿真结果表明,运用偏置比例导引确定的发动机开关线能够明显地减小脱靶量和轨控发动机的开关次数.     

固体火箭发动机交互式可视化优化设计与分析

为提高固体火箭发动机优化设计和结果分析的效率,提出了一种交互式可视化优化设计与分析方法。以某大型固体火箭发动机设计为例,说明其在固体火箭发动机优化设计和参数敏感性分析中的应用。研究表明,这种方法可使设计人员快速、直观地得到符合总体要求的多组设计方案,简单、有效地进行参数敏感性分析,符合设计人员思维习惯,适合在工程中推广。