航天飞机轨道飞行器RCS主推力室直动阀的设计改进

航天飞机轨道飞行器 RCS 主推力室采用先导式阀(POVs)来控制推进剂的流量。由于先导式阀有些固有的缺陷,因此新研制了直动式阀(DAVs)(参考文献1和2)。根据在所规定的使用条件下无泄漏的密封性、防金属硝酸盐的污染、不受供应管路压力波动的影响、具有足够的结构强度和循环寿命、以及与先导式阀互换性的初步要求提出了各项设计改进。考虑上述各项改进、设计、制造和试验了验证组件。验证组件的试验内容包括振动、响应特性和循环寿命,同时对阀门中装配的关键组件波纹管也进行了寿命试验。本文介绍了设计改进的细节,同时提供了相应的试验数据。     

针对可重复使用和重复起动应用而对俄罗斯NK—33火箭发动机进行的改进和验证试验

Aerojet 公司得到俄罗斯登月计划使用的已经飞行验证的液体火箭发动机后,用现代仪器和控制把它改进成可重复使用和重复起动发动机,并用热试车验证了这些改进项目。NK—33液氧/煤油发动机是 Samara 州科学和生产企业“TRUD”(现称为N.D.Kuznetsov Samara 科学技术公司)为苏维埃 N—1运载器设计制造的。该补燃发动机产生的高压(14.54MPa 的室压)和高性能(真空比冲为3246m/s)是西方的烃类发动机从来也没有实现过的。Aerojet 公司引进了36台 NK—33发动机、9台 NK—43发动机(N.D.Kuznetsov SSTC 同一发动机在上面级的翻版)。NK—33发动机改进后将首先用于 Kistler K—1运载器。改进项目有:用电磁阎替换火药起动阀;替换推力和混合比控制用的机电起动阀;重新设计吹除供给系统;更换涡轮泵起旋和主燃烧室点火器的固体推进剂;为增加万向节和推力矢量控制架而重新设计更换机架。增加阀、火药起动器和管路以重新起动发动机,更换设备和电缆束。Aerojet 对该发动机进行了成功的热试车,以验证新部件和结构,并开始研究可重复使用 Kistler 运载器上的发动机耐用性。本文描述了对原始俄罗斯发动机的改进项目,报道了至今为止的试验结果。     

F-1A发动机和SSME展望

目前正在研究采用 F-1的衍生物——F-1A 作助推发动机,采用 SSME 作上面级发动机。现已完成了 F-1A 发动机再次启动的性能评估研究。已确认该发动机改型项目的总数达224项,最直接的问题是生产现代化或利于规模生产。研究中未找出至关重要的技术问题。对 SSME 的评估着重于高空起动或轨道再起动组合使用的模拟。本文讨论了入口压力变化及热响应相互之间的关系。对阀的工作程序和发动机上控制孔板作了小小调整,使发动机的高空起动模态与地面起动的情况相同。发动机的轨道模态还要求有少量推进剂进行再循环并稍加一些加热控制,以确保在初始射入后从一个轨道到三个轨道的满意起动。     

发动机起动燃气返腔仿真与影响分析

针对某液体火箭发动机在试车起动时出现的燃气发生器头部温度过高现象,建立了发动机起动时发生器及燃气系统内部流动的三维模型,通过Fluent流场计算对起动燃气路内流场进行了模拟和分析。从启动器起动0.65s定常流场计算结果与0～0.65s的瞬变流场计算结果中可以看出,火药启动器燃烧后的起动燃气沿倾斜的燃气入口进入燃气路,经内壁反射后冲入燃气发生器,燃气进入发生器头腔,造成了发生器头部温度过高。调节氧头腔氦吹除流量,进行起动的0.65s定常数值模拟。模拟结果表明,适当增大吹除流量是控制起动时发生器头部温度的一个行之有效的手段。再将燃气多通的燃气入口倾角改进为80°倾角和90°倾角,分别建立模型并进行了起动的0.65s定常数值模拟。模拟结果与原模型进行比较时发现,燃气入口倾角增大可以在一定程度上改变起动燃气路径,减少燃气返腔造成的头腔温度峰值过高的影响。     

补燃循环发动机起动过程涡轮功率控制

分析了采用富氧燃气发生器的补燃循环发动机起动过程中涡轮功率的控制方法,指出起动过程中涡轮功率的主要控制参数为发生器温度和涡轮压比。起动过程中发生器温度的控制依靠选择合适的流量调节器起动流量、转级时间和转级速率来实现。起动过程中涡轮压比的控制需要控制推力室的建压时间和建压幅度,这需要选择合适的推力室燃料主阀打开时间、燃料节流阀转大流量的时间。通过数值仿真,分析了上述控制方法对发动机起动过程的影响机理。     

无毒推进剂泵压式变推力发动机工作过程仿真

根据无毒推进剂泵压式变推力发动机系统方案,建立了组件数学模型,在此基础上进行了工作过程仿真计算,并对主要影响因素进行了分析。结果表明：发动机各组件能协调工作,但起动加速较慢,发动机变推力时阶跃响应较长;起动箱气腔容积越大,起动越快。     

液体火箭发动机“热泵”起动研究

多次起动泵压式液体火箭发动机存在"热泵"起动故障,主要原因是发动机再次起动时,泵部件的温度过高引起推进剂气化,导致推进剂增压泵不能够正常建压。因此提出一种"热泵"起动故障的解决方案:在发动机系统上增设排空系统和排放系统,降低泵部件的温度及泵腔的含气率;在涡轮和泵之间增加隔热结构,减少它们之间的热量传递;对发动机再次起动的时序进行调整。该方案结合某型多次起动泵压式上面级发动机试验验证,"热泵"起动故障圆满解决。最后通过对不同试验结果和高空环境仿真结果的对比,验证了该方法的正确性,能够提高发动机再次起动的可靠性。     

民兵III和MX导弹弹头母舱内的贮箱

在民兵Ⅲ和MX洲际导弹分导式多弹头的母舱中,推进剂贮箱是一个很重要的组件。贮箱的功能是:在导弹贮存时存放推进剂;在导弹飞行时根据指令向发动机供应推进剂。贮箱在设计上应能满足末助推推进系统在高空工作多次的要求,还应该在加注推进剂情况下达到长期贮存所提出的可靠性指标(不低于0.99)。这种贮箱的研制周期较长,成本较高,技术上的风险也较大。     

500t级液氧煤油补燃发动机起动过程仿真研究

500t级液氧煤油补燃发动机是我国首台采用双推力室方案、自身分级起动方式的重型液体火箭发动机。结合重型发动机特点建立了描述发动机起动过程的数学模型,通过数值仿真分析了影响发动机起动特性的主要因素,确定了发动机的起动方案。研究结果表明：液氧主阀和发生器燃料阀打开时差应确保发生器点火在氧头腔充满后进行;流量调节器的转初级起始时间应早于推力室建压时间;燃料节流阀转大流量应在发动机起动受控段进行。     

变推力发动机仿真计算分析

分析了变推力发动机采用的双调模式,用流量调节器控制推进剂流量。流量定位针栓式喷注器控制喷注压降,保证喷注速度基本不变。根据发动机系统特点建立了主要组件的数学模型,并根据模型进行了仿真计算,最后对发动机前管路流阻影响进行了分析。     

基于热仿真的泵压式多次起动发动机热控设计

某上面级主发动机采用常温可贮存液体推进剂,采用泵压式供应方案,依靠起动箱式多次起动系统使发动机具备多次起动工作能力,在轨工作2天。为使发动机温度环境满足工作要求,对发动机进行了热控设计,热控方案采用被动热控措施为主、主动电加热措施为辅以及起动前排放的综合措施。发动机热控设计基于热网络仿真分析法,通过建立整机热分析模型预示发动机任务剖面温度变化,为发动机提供合理的热控设计方案。     

小推力泵压式发动机自身起动过程仿真分析

根据二级箭体钝化处理的需要,小推力泵压式游动发动机需要在低入口压力下 实现自身起动,进入稳态工作.在MWorks通用仿真平台的基础上,建立发动机起动过程系统仿真模型,通过试车数据验证了仿真模型的合理性.进一步分析了发动机的入口压力条件、主阀流阻以及环境压力对发动机起动过程的影响.结果表明:发动机能够实现自身起动,但起动过程较长;氧化剂的入口压力对发动机自身起动过程影响很大,氧化剂入口压力降低,涡轮泵起旋时间延迟明显,起动品质变差;降低发动机主阀流阻,能够使涡轮泵起旋时间提前,改善起动品质;环境压力降低使推进剂充填过程加快,涡轮泵起旋和工况爬升加快,有利于发动机的自身起动过程.     

可贮存推进剂泵压式液体火箭发动机多次起动系统研究

在推力超过一定量级、任务时间较长的情况下,泵压式发动机比挤压式发动机具有明显的技术优势。从国内外上面级及重型空间飞行器推进系统的发展需求来看,均要求其主发动机具有多次起动工作的能力。针对采用可贮存推进剂的泵压式液体发动机多次起动需求,对几种可选的多次起动系统方案进行了比较分析,介绍了起动箱式起动系统的研究情况。     

补燃发动机完全自身起动过程富氧燃气温度控制

为了防止富氧补燃循环发动机在完全自身起动过程中出现烧蚀情况,需要研究降低发生器富氧燃气温度峰值的方法。利用成熟的发动机组件数学模型,建立了发动机完全自身起动过程动态仿真模型,并通过试验数据验证了仿真模型的合理性。基于计算结果,分析了起动过程中发生器富氧燃气温度的变化过程,进一步分析了产生3个温度极大值的原因。通过仿真研究,分析了不同起动参数对富氧燃气温度峰值的影响。结果表明:提高发生器氧化剂流量和减缓发生器燃料流量增速可以降低富氧燃气温度峰值,具体措施有提高氧化剂贮箱压力、减小供应管路长度、提高副路转级阀的作动压力和减小其转级速率。     

我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考

重复使用是降低航天发射成本的重要途径之一,是液体火箭发动机未来发展的重要方向。本文分析了可重复使用液体发动机的发展趋势,针对可重复使用运载器对发动机功能的需求,探讨了动力系统方案;对比了液氧煤油和液氧甲烷等推进剂组合和不同循环方式,认为几种发动机方案均可满足重复使用运载器的需求;研究了重复使用发动机的关键技术,提出应重点研究可重复使用液体火箭发动机高温组件热结构疲劳寿命评估及延寿技术、运动组件摩擦磨损技术、结构动载荷控制与评估技术、快速检测评估与维修维护技术、健康监控与故障诊断技术、二次或多次起动技术与大范围推力调节技术等。     

阿里安5单组元姿控发动机系统

阿里安5的姿控发动机采用单组元无水肼落压式推进系统,其结构简单,设计可靠性高。该系统的所有组件几乎都是重新研制的。这些组件包括囊式钛合金贮箱、两个400N 推力室模块、隔离阀、流量控制阀、歧管集合器、导管和隔热罩等。本文比较详细地介绍了阿里安5单组元姿控发动机系统、各组合件的结构、和发动机研制过程中所进行的大量试验。     

一种推力可调式固体火箭发动机的研制

本文论述了为控制低流率固体火箭发动机而研制一种燃气控制装置(阀)的计划。并通过使用一种大渐增性固体推进剂气体发生器和一种转子调节套阀,论证了在大范围工作条件下的几种不同的渐增性推力—时间曲线图形。推进剂装药被设计成可给出一条能够超过推力增加最大速率的推力—时间曲线。阀被设计成能将推力断续调节到较小值,以使之能与工作状态范围内的任一条性能曲线相吻合。为论证每个部件完成其各自功能的能力而进行了一系列的试验。随后,又进行了一系列的系统试验以论证在符合工作范围内一条特定推力—时间曲线的条件下全系统调节推力的能力。     

登月舱用深度变推下降级发动机系统方案研究

在我国的载人登月技术方案中,为实现软着陆,登月舱需要一种大推力、高性能、多次起动,能够大范围变推力的泵压式发动机.通过研究国外登月用下降级发动机技术发展现状和趋势,基于我国氢氧发动机和低温推进剂空间贮存水平,进行了深度变推发动机的系统方案研究;通过分析比对燃气发生器循环和膨胀循环系统优缺点,确定发动机系统方案为涡轮串联闭式膨胀循环;采用空间可长时间贮存的液氧/甲烷推进剂组合,可满足任务周期要求;根据推力深度调节时对各组合件性能要求,确定喷注器燃烧稳定技术和燃烧室身部传热技术是深度变推发动机研制的核心关键技术.     

气氧/酒精发动机试验系统设计和起动研究

主要介绍推进剂为气氧/酒精的发动机试验系统设计方案,包括气体挤压式输送系统、冷却系统、配气系统,并画出整个实验系统的示意图.通过流量调试过程分析试验系统的起动情况,给出合理的试车控制时序.最后还给出了实验发动机的一次试车曲线,说明试验系统设计合理而且工作可靠稳定.     

阿里安V主级氧化剂贮箱的增压系统

阿里安V主级氧化剂贮箱用氦气增压,氦以很低的温度4-10K贮存于箭上的低温容器中。增压的氦气在通过流量控制阀引入贮箱之前由一个热交换器控制。系统和组件设计依赖于欧动力装置制造公司及其子承包单位的技术。由于低温氦的贮存,特有的功能和技术难度成为本系统的特征。设计渐次地为模型和组合件试验所证实并完善。增压系统开环试验于1992年在瓦桑发动机试验台完成。