气氧/气甲烷火炬点火器设计及试验

针对某型液氧/甲烷火箭发动机,为寻求多次使用的点火器,提出了变结构气氧/气甲烷火炬式点火器设计方案。根据设计要求及技术指标,对点火器进行了变结构、变缩进长度及变混合比试验,验证了点火器设计的可靠性。试验结果表明:混合比越大,燃烧室压强越大,出口补燃情况不发生改变; 缩进长度的变化不影响燃烧室压强及出口补燃情况的变化; ...     

双喷管发动机

双喷管发动机象双喉部、双膨胀发动机一样,在先进的天地运输系统中得到验证。改进的航天飞机和全新火箭亦得益于这些先进的发动机。本文将对单燃料、双燃料以及双喷管发动机在设计方面所取得的进展作一总结。双喷管发动机的推进剂为:液氧/煤油/液氢、液氧/液丙烷/液氢、液氧/液甲烷/液氢、液氧/液氢/液氢、液氧/液甲烷/液甲烷、液氧/液丙烷/丙烷以及四氧化二氮/一甲基肼/液氢,发动机推力为889.6～2980.3kN。     

基于有限元软件ANSYS的扩压器强度分析

空气泄入式扩压器是液氧/煤油发动机高空模拟试验的关键设备。运用有限元软件ANSYS的结构静力分析方法,对该扩压器筒体进行了强度分析,获得了筒体的应力分布情况。分析结果符合扩压器受力情况。     

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。     

气氢/液氧同轴喷注器变工况燃烧流场相似性

为研究不同室压工况下气氢/液氧燃烧流场的相似性,设计了喷注器试验件,并采用数值仿真和热试验的方法对气氢/液氧喷注器的喷雾燃烧流场进行了研究。数值仿真选取试验件的1/6进行三维稳态计算,其中湍流模型采用SST k-ω模型、化学反应采用考虑氢氧6组分9步反应机理的涡耗散概念模型、液氧液滴采用离散相模型,共进行了2.8～9.8 MPa范围内8种典型工况的数值仿真。热试验采用气氢/液氧推进剂,进行了4.5 MPa、5.4 MPa和6.8 MPa这3种不同室压工况共4次挤压热试验,采用量热式水冷身部对燃烧室壁面热流进行了测量。仿真和试验结果表明：对于气氢/液氧同轴直流喷注器,在混合比、氢氧温度和喷注速度相同的情况下,当室压大于液氧临界压力时的燃烧流场具有相似性;而室压小于液氧临界压力时的燃烧流场与大于临界压力的燃烧流场结构存在差异。     

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明：液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m²时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36...     

梯度硅铝管壳回流焊接快速冷却热力仿真研究

针对某航天电子管壳焊接组件冷却过程中的热力耦合影响问题,建立了焊接组件的有限元热分析模型,研究了在快速冷却过程中梯度材料分布对低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic, LTCC)基板、梯度管壳的残余应力和变形的影响。以不超过基板断裂强度为前提条件,以降低管壳整体的残余应力与变形为优化目标,采用了多因素变换优选法,确定了管壳材料的最优梯度分布方案,即合金管壳自上而下的梯度分布为Al-35Si、Al-42Si、Al-50Si、Al-60Si、Al-70Si。其中,Al-35Si厚度为2.5mm, Al-42Si与Al-60Si的厚度均为1.6mm, Al-50Si厚度为0.8mm, Al-70Si厚度为2mm。在该方案下,LTCC基板冷却至室温时的最大变形量为4.86μm,最大第一主应力为6.761MPa,远小于LTCC材料的断裂强度320MPa;管壳冷却至室温时的最大变形量为18.291μm,最大残余应力值为20.46MPa,远小于管壳材料的屈服强度100MPa。管壳各层之间的应力集中现象不明显,管壳的整体焊接质量得到提升。     

基于响应面法的单元发动机喷注器优化设计

针对某新研单元发动机喷注器热阻优化的问题,采用仿真计算分析研究支架结构参数对支架热阻与结构强度的影响,并基于响应面法(RSM)对喷注器支架进行结构优化设计。计算结果表明:在计算范围内,对支架隔热性能影响最大的是支架高度,其次是支架厚度,最后是支架孔直径。随着支架高度的增加,支架热阻逐渐增大,而支架热阻则随着支架厚度与孔直径的增加而降低。对支架结构等效应力影响最大的是支架孔直径,其次是支架高度,最后是支架厚度,并且随着支架孔直径的增加,支架结构等效应力逐渐增大,而支架最大等效应力随着支架高度和厚度的增加而减小。通过采用响应面法改进后的支架在结构强度满足发动机力学环境的条件下,喷注器热阻得到明显提高。     

液氧甲烷单喷嘴燃烧性能数值仿真研究

为了研究液氧甲烷同轴剪切式喷注器结构参数变化对燃烧性能的影响,以单喷嘴为物理模型进行了燃烧数值仿真.研究表明：适当增加氧喷嘴出口壁厚和增加喷嘴个数均能提高喷注器燃烧效率,其中增加喷嘴个数对燃烧效率的影响更为显著.     

高性能的俄罗斯液氧/煤油发动机NK-33

NK—33液氧/煤油火箭发动机是由萨莫拉国家科研生产联合体——“TRUD”为俄罗斯N—1登月火箭研制生产的。这种四级型的 N—1火箭所使用的发动机均为液氧/煤油火箭发动机,其中30台 NK—33发动机用于第一级,8台与 NK—33发动机类似而面积比更大的 NK—43发动机用于第二级,四台 NK—39发动机用于第三级,一台除带有常平座外类似于 NK—39发动机的 NK—31发动机用于第四级。所有上述的液氧/煤油发动机都是六十年代研制的,均采用一个富氧预燃室产生涡轮燃气,气氧与热煤油经过分级燃烧喷注器在8.964～15.169MPa 绝压下燃烧。NK—33、NK—43和 NK—39发动机可控制发动机簇的推力,并提供火箭的推力向量控制。由于采用高室压,NK—33发动机的设计实现了较高的性能和很轻的结构重量。富氧预燃室的采用,使得发动机有较高的燃烧效率和燃烧稳定性。在预燃室中,全部的液氧以58:1的混合比燃烧,所产生的628.15K 的富氧燃气全部用来驱动涡轮泵的涡轮,然后进入喷注器和燃烧室。NK—33发动机的结构牢固可靠,可实现很高的泵出口压力和14.480MPa 绝压的高燃烧室压力,因此,其面积比可达27:1,可产生2913.57m/s 的海平面比冲和3274.1m/s 的真空比冲。气氧和热煤油喷注器可保证发动机推力降至23%推力水平时仍能稳定燃烧。各次试车之间,无需使用溶解剂清洗 NK—33发动机的零件,也没有发动机零件的碳化现象,这是由于取消了富燃料气发生器和降低推力室冷却套中的煤油温度的缘故。NK—33发动机在用于飞行计划以前进行了充分的试验,共进行了910多次试车,累积点火时间达211,800秒。研制和鉴定完成后,先后共交付了250台 NK—33发动机,可靠性指标达到0.996。已经证实,NK—33发动机是一种高性能的助推发动机。它结构牢固可靠;所采用的技术,到目前为止,未见于美国的发动机。NK—33发动机可凭借低成本和高飞行可靠性改进运载火箭的性能。     

航天复合材料压力容器研制技术

分析了航天复合材料压力容器技术指标特点。提出了容器金属内衬、增强纤维和树脂基体的选材要求。讨论了金属内衬全金属承压区、薄膜区、封头过渡区、封头/筒体界面、焊接区的结构设计方法,以及圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形容器纤维缠绕复合材料壳体结构特点。简述了结构设计算法,以及包括疲劳寿命、应力断裂寿命、爆破前先泄漏(LBB)安全失效模式等容器安全设计的分析和试验方法。     

液氧/液甲烷姿控发动机点火技术研究

液氧/液甲烷推进剂组合具有高比冲性能以及其他优异的综合使用性能,已经成为未来空间化学推进的重要发展方向之一。点火技术作为液氧/液甲烷姿控发动机的重大关键技术,对发动机可靠启动、响应特性、脉冲一致性等关键指标具有重要影响。欧美国家已经开展系统以及相关组件的预先研究,其中美国已经完成了系统级的地面自由飞行试验。国内也已开展了低温推进系统技术论证,并开展了主发动机、姿控发动机以及点火器、低温贮箱、低温阀门等关键组件的研发。针对液氧/液甲烷低温推进剂组合进行了点火技术分析筛选和试验研究,验证了电火花点火与激光诱导等离子点火两种方案的原理可行性。试验表明在入口条件从气态到液态的宽广范围内两种方案均能实现可靠、可重复点火,两种点火方式对于LO_x/LCH_4发动机均原理可行。试验得出可靠点火的火花能量边界特性、混合比边界特性、响应特性以及脉冲特性,为后续液氧甲烷发动机设计提供依据。     

同轴剪切喷嘴高频喷注耦合燃烧不稳定分析

同轴剪切喷嘴在大推力氢氧发动机及液氧甲烷发动机上得到了广泛的应用,研究表明,当同轴剪切式喷嘴的中心氧喷嘴喷注过程与燃烧室的声学振荡发生耦合时,容易发生高频喷注耦合燃烧不稳定。高频喷注耦合燃烧不稳定一般无法通过隔板、声腔等传统燃烧稳定装置解决,需要在设计喷注器时采取相应措施。通过求解喷嘴导纳得到了喷嘴的固有声学频率,并与冷态声学试验结果和缩比喷注器热试结果进行了对比,表明吻合较好。研究了氧喷嘴长度、氧喷孔环直径、氧喷前温度和氧喷前压力等因素对氧喷嘴声学频率的影响,结果表明:增大氧喷孔环直径、提高氧喷前压力以及减小氧喷嘴长度、降低氧喷前温度可以提高氧喷嘴声学频率。     

基于ABAQUS的复合材料网格筒分层破坏分析

复合材料网格筒结构由于极优的高比强度及比刚度特性,在运载火箭、飞机、卫星等航空航天结构中得到广泛应用。采用ABAQUS对复合材料网格筒结构进行精细化建模,详细分析了复合材料网格筒中的应力分布、分层破坏形式,研究了网格分层破坏出现的位置及对其整体刚度的影响。对网格筒桁条交界处的应力进行详细分析,研究了工艺缺陷对其破坏模式的影响。根据整体分析结果及局部分析结果,设计了承载能力为3500kN,质量为30kg的复合材料网格筒结构。研究成果将为复合材料结构网格筒的分析及设计提供参考。     

基于有限元法的综合支架结构设计与承载能力分析

本文对防爆加热器撬块综合支架的结构进行了分析,找到该支架结构设计上存在的问题并作了相应的改进设计,使得综合支架的结构在满足强度和刚度的同时减轻了整体的重量,在材料的利用上趋于优化的设计;通过对综合支架的有限元模型施加不同的惯性力,得出不同载荷下综合支架应力变化规律,从而确定出综合支架所能承受的最大惯性力.     

基于有限元法的综合支架结构设计与承载能力分析

本文对防爆加热器撬块综合支架的结构进行了分析,找到该支架结构设计上存在的问题并作了相应的改进设计,使得综合支架的结构在满足强度和刚度的同时减轻了整体的重量,在材料的利用上趋于优化的设计; 通过对综合支架的有限元模型施加不同的惯性力,得出不同载荷下综合支架应力变化规律,从而确定出综合支架所能承受的最大惯性力。     

液氧/甲烷火箭发动机燃烧室稳定特性的实验研究

该研究的目的在于阐明液氧/甲烷火箭燃烧室的燃烧稳定特性、重点强调喷射速度比对燃烧稳定性的影响。试验使用了14kN 没有任何稳定性辅助设备的燃烧室,所用的四个同轴式喷注器具有不嗣的喷射速度比,V_ /V_0,试验范围逐渐从5.6提高到24,燃烧室压力3.5MPa,氧化剂与燃料之比从3.0到5.0。稳定性评估实验采用了直接喷射气体和脉冲枪两种方法,喷射氧气和脉冲枪两者均产生强烈的压力扰动,其分别是燃烧室平均压力的30%和100%。在所有试验条件下,所引起的一阶纵向和一阶切向压力扰动都很快地被抑制。试验条件包括了低的 V_ /V_0状态,在该情况下,NASA 路易斯研究中心177.93kN 的液氧/甲烷发动机出现了不稳定燃烧。本文采用了费勒—赫德曼(Feller——Heidmann)稳定性分析法来分析设计和工作参数对稳定性的影响。     

基于有限元分析的综合支架结构设计与优选

本文在分析海洋平台防爆加热器橇块综合支架结构特点的基础上,通过有限元法对综合支架进行强度能力分析,找到该支架结构设计上存在的问题并作了相应的改进设计,使得综合支架的结构在满足强度和刚度的同时减轻了整体的重量,在材料的利用上趋于优化的设计;通过对综合支架的有限元模型施加不同的惯性力,得出不同载荷下综合支架应力变化规律,从而确定出综合支架所能承受的最大惯性力。     

气路膜片设计研究

基于ANSYS软件平台,对气路膜片进行了数值仿真,研究了气路膜片等效应力与位移之间的关系,得出了气路膜片材料、几何结构以及结构尺寸设计准则,采用该设计准则设计的气路膜片通过了火工品专用试验台考核。试验结果还表明,气路膜片破裂压力范围为9±0.5 MPa,试验系统氮气加载速率≥100 MPa/s,气路膜片满足设计要求。气路膜片已应用于火工品试验台气体快速加载装置,以模拟药柱燃烧时产生的高温、高压气体快速充填试验系统。     

基于有限元分析的综合支架结构设计与优选

本文在分析海洋平台防爆加热器橇块综合支架结构特点的基础上,通过有限元法对综合支架进行强度能力分析,找到该支架结构设计上存在的问题并作了相应的改进设计,使得综合支架的结构在满足强度和刚度的同时减轻了整体的重量,在材料的利用上趋于优化的设计;通过对综合支架的有限元模型施加不同的惯性力.得出不同载荷下综合支架应力变化规律,从而确定出综合支架所能承受的最大惯性力.