液氧甲烷发动机发展现状

液氧甲烷发动机使用维护便捷、成本低、性能高,是重复使用火箭动力的发展方向。首先,介绍了液氧甲烷发动机的发展情况,包括美国的猛禽发动机和BE-4发动机、俄罗斯的RD-162发动机以及欧洲的普罗米修斯发动机等;总结了中国在液氧甲烷发动机领域的研究工作;介绍了蓝箭航天80吨级液氧甲烷发动机及200吨级液氧甲烷全流量补燃循环发动机。然后,分析了液化天然气中甲烷含量对液氧甲烷发动机的影响及火箭发动机用液化天然气的优选情况。最后,指出了液氧甲烷发动机的关键技术和发展方向,建议研发大推力重复使用液氧甲烷全流量补燃循环发动机。     

全流量补燃循环液氧甲烷发动机系统方案研究

为了在现有火箭发动机的技术条件下,研制高性能、高可靠性、重复使用的液氧甲烷发动机,采用与液氧煤油和液氧甲烷发动机对比的方法,从推力室冷却难易程度、影响涡轮寿命的燃气温度、发动机运载能力等角度考虑,对全流量补燃循环液氧甲烷发动机的混合比和室压进行了优化选择,发动机在高室压和高混合比下工作性能更优;参考目前液氧煤油和液氧液氢发动机方案,对发动机的部分子系统配置进行了对比,采用泵后高压液体驱动预压涡轮、分段冷却推力室的方案技术风险小,且涡轮燃气温度较低。     

与液氧相容性聚合物改性途径研究

针对环氧/氰酸酯共固化体系,以液氧冲击敏感性试验作为判定聚合物与液氧相容性的基本手段,重点研究了聚合物的抗氧化和阻燃性能与其液氧相容性之间的关系,证实了聚合物抗氧化性能的增强和阻燃性能的改善可以有效提高其与液氧的相容性.这为聚合物旨在改善与液氧相容性的改性指明了方法和途径,并由此获得两个具有良好液氧相容性的聚合物体系.     

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

低温液氧过冷方案对比分析与试验研究

从燃料密度、显冷量和贮箱增压压力等方面阐述了采用过冷液氧推进剂的性能优势。以获取66 K过冷液氧为目标，从低温工质消耗、功率消耗、系统复杂性和安全性等多个方面对液氧抽空减压、负压液氮浴换热和氦制冷循环3种过冷方案进行了定量与定性对比。针对液氮浴过冷技术进一步对比了单级与两级过冷方案，最终建议采用常压+负压两级液氮浴过冷方案获取66 K深度过冷液氧，并基于该方案搭建了半工业级液氧深度过冷验证平台，成功将液氮过冷至66 K以下。试验表明在0～3 L/s的液氧流量范围内，由于管道漏热，液氧过冷加注过程中其温度随着流量增大而降低。本试验验证了两级液氮浴过冷方案的可行性，为低温火箭发射场推进剂加注系统升级提供了理论及技术参考。     

液氧煤油超临界富氧燃烧中的低频振荡特性实验研究

为了研究液氧煤油在高混合比下的燃烧特性,在模拟燃烧室中开展了液氧煤油在超临界压力环境下的富氧燃烧实验,燃烧室中采用了双离心喷嘴。实验过程中燃烧室压力额定值为6.4MPa,高于液氧和煤油的超临界压力。燃烧室直径为50mm,燃烧室长度约为345mm,燃烧室喉部直径10.5mm。用压力传感器记录液氧喷前压力、煤油喷前压力和燃烧室压力,压力数据的采样频率为2kHz。实验中发现：当混合比为10时,液氧煤油发生较为稳定的燃烧;当混合比为14.5时,燃烧室内出现了20～30Hz的低频燃烧振荡;在燃烧的启动和关机阶段,也出现了相近频率的低频燃烧振荡。液氧和煤油的喷前压力振荡相位均滞后于燃烧室压力振荡,表明振荡的源头在燃烧室。系统幅频特性分析结果表明,燃烧振荡频率与系统频率不耦合。液氧煤油低频燃烧振荡的主要诱发因素可能是高混合比燃烧下的温度效应。富氧燃烧温度低于2200K易诱发低频燃烧不稳定。     

液氧/丙烷推力室试验研究

1987～1989年间进行的液氧/丙烷推力室试验研究内容主要涉及点火和启动、燃烧、传热等。目的在于探索液氧/丙烷推进剂的技术关键,为新型液氧/烃发动机论证提供必要依据。使用了两种结构状态的推力室。试验室压2.5～7.8MPa。推力8～25kN(真空)。通过试验,考核了液氧/丙烷推进剂的点火和燃烧性能,验证了丙烷再生冷却的可行性;并与四氧化二氮/偏二甲肼自燃推进剂、液氧/煤油推进剂的试验情况进行了比较。     

液氧的危险性分析及其安全防护技术措施

液氧是液体火箭发动机的一种常用氧化剂,它具有火灾、爆炸的危险性,会引起人员冻伤和氧中毒。从防火防爆、人员冻伤和氧中毒防治三个方面提出液氧的安全防护技术措施,保证液氧的使用安全。     

富氧燃气发生器-供应系统耦合稳定性研究

针对试车中燃气发生器及供应系统自发地产生一阶纵向压力振荡,对系统中各环节建立了满足声学分析的线性化传递矩阵模型,包括液体管路模型、敞口型离心喷嘴动力学模型、流量调节器模型、光滑燃尽曲线的燃烧模型、一维分布参数的燃气流动模型等。求解了发生器相对推进剂流量扰动的幅频响应、液氧和煤油供应系统的喷注导纳。采用Nyquist稳定性判据讨论了发生器和供应系统在不同条件下的耦合稳定性。计算结果与试车现象吻合。在中频范围内,发生器室压对两路推进剂流量脉动都能产生较大的响应,煤油流量扰动引起较大的熵波幅值。由于液氧头腔的容积较大,液氧喷注导纳在宽频范围内都有较高的幅值,且在600～800Hz之间明显大于煤油喷注导纳幅值。发生器-供应系统存在中频不稳定的机理是液氧供应系统出口流量振荡与发生器内声学振荡相耦合。液氧喷注压降和发动机工况的降低对耦合稳定性均产生不利的影响。增加液氧喷注压降可以减小液氧流量振荡的反馈,提高系统的中频耦合稳定性。      

基于燃气射流冷凝的氧路系统频率特性研究

基于热力学不平衡两流体六方程模型模拟了液氧煤油补燃循环发动机燃气射流在氧路系统泵间管路液氧流体中的冷凝过程，获得了燃气射流冷凝特征参数沿管路流向的分布规律。根据Rayleigh-Plesset方程和燃气射流特性建立了泵间管路燃气冷凝过程的传递函数模型，并与氧路管路、泵等组件模型联立求解，分析了发动机氧路系统频率特性。研究了在不同氧路入口压力和液氧温度边界条件下，泵间管路燃气射流冷凝过程对氧路系统频率特性的影响，仿真结果表明高入口压力和过冷液氧改变了射流气体的惯性和柔度，使得氧路系统特征频率增大。不同边界条件下发动机热试车结果表明，提高氧路入口压力或降低液氧温度使得氧路系统频率从8.3 Hz提高至11 Hz，与数值仿真结果一致，验证了泵间管燃气射流冷凝过程是影响氧路系统频率特性的重要环节。     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

液氢/液氧火箭发动机燃烧过程二维数值模拟分析

本文应用数值模拟方法对液氢/液氧火箭发动机燃烧过程进行了计算,给出了发动机燃烧室内燃气参数分布。计算中通过随机喷雾模型确定液氧滴进入燃烧室的初始条件,应用高压蒸发模型计算液氧蒸发速率及Arrhenius公式计算氢氧气相化学反应速率。贴体网格由TTM方法生成,数值方法采用一步隐式预测、两步显式校正的PISO算法,控制方程在非交错网格下离散并且对流项采用了二阶迎风格式。      

国外高压液氧/烃发动机冷却技术发展趋向

本文综述了目前国外液氧/烃火箭发动机冷却方案的改进措施,并对将来先进的高压液氧/烃发动机冷却技术的发展动向作了分析比较.     

聚合物基复合材料在液氧贮箱中的应用研究

回顾了航天系统液氧贮箱的历史沿革，论证聚合物复合材料作为贮箱材料应用的必要性和可行性。从聚合物基体和纤维选择，复合材料的成型，与液氧相容性的评价以及综合性能测试进行了讨论。     

液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型及计算机模拟

本文提出了一个通用的液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型.模型采用多流管压力耦合方法,并考虑了推进剂液滴剥离、高压超临界燃烧和液膜冷却等对发动机燃烧过程的影响.利用本模型对液氧/丙烷发动机燃烧过程的计算模拟表明:本模型为液氧/烃发动机燃烧过程的模拟和性能预估提供了一个有效的理论工具.     

液氧/煤油火箭发动机故障诊断与监控

阐述了液氧／煤油液体火箭发动机故障诊断的基本原理与方法，以及故障诊断系统的组成，说明了液氧／煤油火箭发动机故障诊断系统需要考虑的几个问题，并简要介绍了监控系统的组成与原理。     

结构设计专家系统的研究

回顾了飞机设计专家系统的发展，指出专家系统本身的一些理论缺陷，提出了更加适合飞机设计的几种专家系统，以促进专家系统在结构设计中的应用     

深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究

针对载人登月着陆器对高性能深度变推力动力的需求,结合国内外探月及空间探索变推力发动机方案与最新进展,在我国补燃循环液氧煤油发动机高性能和具有一定推力调节能力的基础上,基于发动机推力调节敏感度分析,提出推力敏感度强/调节方案简单的泵压式深度变推力液氧煤油发动机方案;同时针对液氧煤油发动机深度变推力调节特性,提出了大范围推力调节、大变比高性能喷注器、宽范围推力室可靠冷却及高性能、稳定性能涡轮泵等关键技术及其解决途径。     

液氧传热性能研究

用电加热方法实验研究了超临界压力下临界温度区液氧的传热性能,验证了国内常用的传热准则方程式计算液氧换热的适用性.研究结果表明:用亚临界非等温流体湍流换热公式计算超临界压力下液态氧的传热时,只适用于壁温T_w<200K,液温T_f<140K的传热工况;用谢茨曼提出的临界温度区流体换热公式计算临界温度附近液氧和低温气氧的放热系数时,偏差很大;常用的气体换热公式计算超临界压力下高温气氧的传热,基本合适.文章整理和提出了一个适用于临界温度附近液氧和低温气氧传热计算的新的准则方程式.     

航天飞机用LACE方案的发展及其参数分析

研究了应用于空天飞机的液体空气循环发动机。介绍了提高空气液化比的几种方法，如：液氢，液氧储箱循环，液氧喷洒，液态空气喷洒。以能量平衡为基础，计算了液体循环发动机的循环参数。结果表明综合采用以上方法可以使液化比提高约６５％。