水平起降航天飞机火箭—冲压—火箭方案概念研究

本文提出了水平起降、两级入轨航天飞机的火箭-冲压-火箭方案。着重讨论了实现这个方案的推进系统,对冲压发动机采取了提前点火和高空补氧两项关键技术,使本方案具有可行性。在优化了推进系统的基础上,提出本方案航天飞机总体布局和基本尺寸,并给出飞行轨迹。通过质量计算所得的有效载荷比具有先进性。     

先进火箭推进方案的研究

由于对运载器性能连续不断的提出改进要求,四个欧洲公司在 ESA/ESTEC合同支持下已经研究了提高低温火箭发动机性能的一般技术。选择了一个1MN 级推力的发动机,这个级别的推力被认为是推力从0.5MN 至10MN 的低温发动机的代表,已经对两方面的应用进行了研究,即传统的一次性使用运载器(一个改型的阿里安5)和一个单级入轨的垂直起飞/垂直着陆飞行器。对三个基础的方面进行了研究。即:变混合比(VMR)发动机,自适应(SA)喷管和发动机循环。另外,还对推力向量控制(TVC)方案进行了研究。     

补燃循环液体火箭发动机大范围工况调节方案研究

结合液氧/煤油补燃循环发动机的结构和工作特点,重点探讨了推力室燃料主路节流、涡轮分流以及变发生器混合比等推力调节方案在发动机上的应用,确定了在发生器燃料路设置流量调节器改变发生器混合比,实现发动机推力在50%～110%范围内调节的方案,分析了推力调节速率对发动机工作过程的影响及主要组件的适应性.     

补燃循环发动机推进剂利用系统研究

采用推进剂利用系统可以提高运载火箭的发射能力。以液氧/煤油富氧预燃室补燃循环发动机为例,提出的混合比调节系统方案为:在推力室燃料主路设置全流量的混合比调节器,由步进电机驱动,可以实现混合比连续调节。与我国现有的液体火箭发动机相比,这种调节方式可以实现全流量调节,调节范围大。同时,混合比调节时对推力、比冲和涡轮泵转速等参数的影响很小,对发动机系统和组件的影响也较小。发动机混合比调节范围可以达到±10%,调节速率为每秒2%以上。     

探空火箭动力系统优化设计

提出了探空火箭动力系统设计参数优化计算方法.综合考虑了动力系统与火箭外弹道之间的关系.在给定有效载荷、最高射高的条件下,选取动力系统的设计参数使火箭的起飞质量最小.选用了增广拉格朗日法约束优化技术和牛顿迭代法求解数学模型.计算结果表明,该计算方法是合理的.     

液氧/甲烷火箭发动机性能敏感性分析

为了弥补极差分析法在发动机性能敏感性分析方面的不足,提高低温火箭发动机性能敏感性分析的准确度,引入了方差分析法,以某型液氧/甲烷发动机为例开展了性能敏感性分析,并通过F检验得到了每个干扰因素对发动机性能影响的显著性指标,与传统的极差分析法相比,提高了液体火箭发动机性能敏感性分析的准确度。结果表明:发动机推力和混合比对同一因素的敏感性存在差别,其中对发动机推力和混合比的影响最大的是涡轮泵效率,均呈现高度显著;紧随其后,对推力影响显著性最高的是副系统流阻特性,而对混合比影响最高的则是主系统流阻特性。研究表明,方差分析法可以有效提高敏感性分析的准确度,既为该型发动机的研制提供了理论支持,也为其他发动机的敏感性分析提供了新的参考。     

双燃料单级入轨火箭的性能优化

在LOX/RP—1和LOX/LH2发动机并行使用的单级入轨火箭中,运用最优控制理论使得火箭性能达到最佳。出于简单性和本文只进行理论特性研究方面的理由,对火箭的运动分析没有考虑引力和气动力的影响,文中假定贮箱质量按推进剂总加注量比例计算。对于给定的有效载荷和速度增量来说,最优控制的目标是运载器总质量或干质量最小。分析结果给出了发动机混合比的最优值和烃发动机的最佳关机时间。结果证明:在起飞时,采用烃发动机可以使运载器系统干质量最小;然而,在总质量最小的情形下,运载器仅需要最高的速度增量。文中也考虑了发动机推力水平和质量大小对火箭性能的影响。     

日本的大机动实验飞行器

日本宇宙科学研究所(ISAS)目前正在研制大机动实验飞行器(HIMES)。该飞行器带火箭发动机,可垂直起飞进入弹道轨道,然后再入大气层,进行滑翔,水平着陆。因而叫做弹道飞行不载人可完全重复使用的单级有翼飞行器。 HIMES采用高燃烧压力的液氢液氧火箭发动机,可将500公斤以上的有效载荷带人250公里高空,并能在空中悬停。HIMES的发射总重量为13.8吨,结构重量(即除去燃料和有     

未来欧洲运载火箭所使用的HM60低温火箭发动机

为了提高阿里安运载火箭系列的性能,降低在低地球轨道和一般地球轨道上的成本一有效载荷比,1981年至1982年欧洲对此进行了比较研究.研究结果表明,需要一种真空推力为900千牛顿,名为HM60的新型液氢液氧火箭发动机.另外还对发动机进行了比较研究.根据这些研究,同时也为了降低生产成本、减少研制风险,欧洲选择了燃气发生器循环系统.目前,该发动机额定性能指标是:燃烧压力100巴,混合比5:1,比冲445秒.用一个燃气发生器分别驱动两台相互独立的涡轮.     

火箭发动机随机推力调节控制驱动器的研制

为满足某型号液体火箭发动机定混合比随机无极变推力工作要求,研制了基于DSP处理器的随机推力调节控制驱动器。该控制驱动器实时接收随机变推力指令,在定混合比条件下,协调控制发动机系统上的燃料及氧化剂路调节阀,从而控制燃料及氧化剂流量,完成发动机的随机变推力控制。其参加多次发动机系统冷调试验及地面全程热试车,工作稳定可靠,实现了变推力双组元推进剂流量同步控制,精确控制发动机混合比,快速响应随机变推力控制要求。     

补燃循环过氧化氢/煤油发动机性能敏感性分析

针对补燃循环过氧化氢/煤油发动机性能的敏感性,采用敏感性分析方法对影响发动机性能的内外因素进行分析和评估,得到了发动机推力和混合比对不同影响因素的敏感性.研究结果表明,预燃室汽蚀管和涡轮喷嘴有效流通面积、涡轮效率和过氧化氢泵效率对发动机推力影响最大,煤油汽蚀管和过氧化氢主汽蚀管有效流通面积、煤油泵扬程和过氧化氢泵扬程对混合比影响最大.对发动机性能影响较大的因素,在工程实践中应当给予重点关注.     

飞行器的一种控制执行机构——变推力火箭发动机调节系统性能分析

本文介绍一种可用于飞行器控制系统中的动力装置——变推力火箭发动机的系统方案。根据控制系统的要求,对发动机可调文氏管——喷注器系统的结构参数选择和设计,推导出数学表达式,并对这种发动机控制系统的动态性能和稳态性能加以分析。变推力液体火箭发动机,通常都是利用改变推进剂的秒流量来实现推力调节,其方案可利用喷注器流通截面的变化,或者在发动机供应系统中设置流量调节器,改变流量达到推力调节的目的。但是比较完善的方案是发动机供应系统和喷注器系统对推进剂的流量都进行调节。供应系统中的调节器用来调节推进剂的流量和组元混合比,喷注器流通截面的变化保证推进剂的喷射速度和雾化质量。供应系统中的流量调节器通常是采用可调节流量文氏管。在一般文氏管中加上一个可沿文氏管中心线移动的同心锥,调节锥的纵向移动改变文氏管的流通截面积,调节推进剂的流量。并且文氏管往往处于汽蚀状态下工作。     

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; ...     

25tf膨胀循环氢氧发动机研制进展

25 tf膨胀循环氢氧发动机是针对我国重型运载火箭三级主动力需求研制的液体火箭发动机,也可应用于未来其他航天器的上面级。该发动机采用闭式膨胀循环方式,具备高可靠、高比冲、大范围变推力以及多次点火等能力。发动机已通过推力室挤压热试验、氢涡轮泵介质试验等子系统试验验证了各项关键技术及组合件设计方案,发动机的整机方案实现已不...     

基于可视化平台的液氢/液氧火箭发动机核心部件质量计算

运载火箭总体方案论证阶段,为了选择推进系统方案需要对发动机的质量、性能等参数进行比较和优化,但是液体火箭发动机的质量是很难估算的,影响发动机质量的因素很多,几乎没有什么规律可循,估算发动机质量的工作只能是非常粗糙的。依据液体火箭发动机主要部件的特点及工程经验,提出了发动机核心部件的质量计算模型;给出了发动机推力室和涡轮泵2部件的2种计算模型并进行了比较。最后,采用VC++平台设计了可视化的计算界面,并结合国内外的发动机进行了验证。     

某型二级发动机混合比调节特性分析

为了提高火箭运载能力,常规二级发动机设置了混合比调节系统.通过建立发动机系统非线性静态特性仿真模型,并结合地面试车数据,开展发动机混合比调节特性分析.结果表明:发动机的混合比调节范围达到-3.13％～+3.20％,完全满足火箭推进剂利用系统的要求,且有一定的余量;混合比调节系统既达到了调节发动机混合比的目的,又能保持发动机的推力基本不变.采用静态仿真模型可以很好地描述发动机稳态工作过程中的混合比调节特性,具有较高的精度.     

Development of TY—3 Microgravity Rocket System

TY－3微重力火箭总长600mm，起飞质量1100kg，有效载荷50kg，最大飞行高度220km，能提供10^-4g约360s时间的微重力试验条件，该火箭已于2000年10月飞行试验成功，而且一种更先进的微重力火箭系统正在设计中。     

多模态RBCC主火箭混合比对引射流动燃烧影响

针对宽范围飞行的二元中心支板式构型,采用发动机与飞行器前后体集成的全流道数值模拟计算方法,研究了主火箭混合比对RBCC引射模态超声速飞行阶段燃烧室流动燃烧及发动机性能的影响。结果表明,主火箭混合比为2.4无二次燃料喷注时,燃烧室出口气流平均总温最高,恰当比和贫燃主火箭可通过二次燃烧组织获得高于主火箭富燃工作情况下的总温,主火箭混合比影响主火箭射流温度,并通过与引射空气的掺混燃烧,与二次燃烧共同决定着燃烧室内的释热区间和压强分布情况,进而影响引射比及发动机性能;引射比随混合比的增大而增大,Ma=1.5、2时,引射比最大相差比例可达77.3%和109.0%,二次燃烧组织使得燃烧室下游压强迅速升高并前传,导致引射比迅速降低,主火箭混合比仍对引射比产生重要影响;在以亚燃和超燃模态为设计重点的受限流道内,主火箭恰当比工作可兼顾主火箭推力及燃烧室推力,进而获得更高的发动机性能,Ma=1.5、2时,推力增益分别达到22.0%和36.6%,发动机比冲分别为3 696 N·s/kg和4 136 N·s/kg,主火箭混合比对提升引射模态超声速段引射比及发动机性能具有重要影响。     

固体火箭发动机／导弹一体化设计

以某一两级固体地—空导弹作为算例,研究了固体火箭发动机/导弹一体化设计问题。研究以导弹起飞质量最轻和可用过载最大为目标建立了目标函数,利用优化理论完成了7个设计变量的优化设计。优化结果表明,所建立的数学模型是正确的。     

宇宙神5火箭故障调查结束

正联合发射联盟公司6月15日宣布结束了对宇宙神5火箭3月22日发射"天鹅座"货运飞船时出现的性能不足问题的调查工作。在那次发射中,火箭第一级提早约5秒关机,最终靠半人马座上面级将工作时间延长了约67秒才成功将飞船送入预定轨道。调查发现,故障出现在起飞后3分42秒,当时一级RD-180发动机混合比控制阀两侧的燃料压差出现意外变化,流入燃烧室的燃料流量减少,导致推进剂混合后呈富氧状态,造成一级性能下降。混合比控制阀用于