固液混合火箭发动机技术综述与展望

介绍了固液混合火箭发动机的特点、发展历史和现状,结合我国航天发展情况,分析了固液混合火箭发动机在航天领域中的应用前景,指出了固液混合火箭发动机适合应用于探空火箭、小型运载火箭、靶标与导弹、亚轨道飞行器及载人飞船、助推器及上面级与姿轨控系统中,应用前景广泛。总结和介绍了北航固液探空火箭的设计方法和研制情况,分析了影响固液混合火箭发动机性能提高和应用的主要关键技术。     

美国再次进行固液火箭发动机飞行试验

1997年4月25日，美国一个工业组织的团队，再次进行了单级固液火箭发动机的飞行试验。发动机长5．73m，直径152mm，固体燃料为端羟基聚丁二烯，液体氧化剂为液化氧化亚氮。称为Hyperion的固液探空火箭，由环境航空科学公司（EAC）制造，由NASA沃洛普斯飞行基地发射，飞行19s后达33．4km。1997年1月8日的单级发射中，该火箭达到36．5km的高度。这次发射试验的目的是要用整体的降落伞回收系统回收火箭壳体，结果表明，回收的发动机壳体几乎和静态试车后壳体的状况一样。Hyperion现用的固液推进剂，发动机海平面比冲为2205N·s／kg，燃料利用率超过99％。若采用高密度、高能推进     

不同药型固液火箭发动机性能特点

根据平行层燃烧理论,推导了不同药型燃烧面积和燃烧边界长度随燃去肉厚变化的数学规律;在此基础上,建立了固液火箭发动机系统设计模型,将设计过程转化为数学模型;之后采用遗传算法对不同药型固液火箭发动机进行了优化设计.通过对优化结果的比较和分析,开展了不同药型应用于固液火箭发动机的性能特点及其机理的研究,指出了固液火箭发动机不同于固体火箭发动机的内弹道特性.      

药柱含扰流板H2O2/HTPB固液火箭发动机 两相流数值计算

研究了药柱中添加扰流板对固液火箭发动机燃烧性能的影响,以北京航空航天大学φ100mm标准固液火箭发动机为计算模型,针对98%H₂O₂/HTPB(过氧化氢/端羟基聚丁二烯)推进剂组合,采用二维轴对称气液两相模型计算了不同药柱位置、不同孔径尺寸的扰流板对固液火箭发动机燃烧性能的影响.结果表明:孔径尺寸更小的扰流板且置扰流板于药柱长度的50%~70%时,平均燃料退移速率最大,燃烧效率最高,这将为扰流板设计提供理论依据.      

长征五号运载火箭助推动力系统

长征五号是我国新一代大型运载火箭(代号CZ-5),芯级捆绑四个助推器,每个助推器配置两台并联的液氧煤油高压补燃发动机.本文对国内外运载火箭的故障模式进行分析,结合CZ-5火箭首飞实际情况,提出了助推动力系统风险规避应采取的措施.针对CZ-5火箭助推级和芯一级发动机起动点火的特点,分析了CZ-5火箭首次发射中的异型发动机...     

塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响

为了分析塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响,分别设计了使用塞式喷管和钟形喷管的固液火箭发动机。发动机喷管选取了三个不同的扩张比,对应高空和地面两个设计状态。通过数值仿真,预估了发动机的性能,并将使用塞式喷管结构和钟形喷管结构的两种固液火箭发动机进行了对比分析。结果表明:相对于钟形喷管结构,使用塞式喷管结构能够提高固液火箭发动机的燃烧效率和比冲效率,且最大分别提高了4.13%和3.37%;地面条件下,大扩张比的塞式喷管的仿真推力系数要比同扩张比的钟形喷管的仿真推力系数大2.69%,体现出塞式喷管的高度补偿效应;与钟形喷管内壁面温度相比,塞式喷管塞锥壁面的温度明显更低。     

泵压式固液火箭发动机系统仿真与优化设计

提出了以高质量分数过氧化氢为氧化剂的泵压式固液火箭发动机的系统仿真和优化设计方法.利用高质量分数过氧化氢易催化分解的特点,建立了采用泵压式输送系统的固液火箭发动机系统仿真模型,并应用遗传算法分别对采用挤压式和泵压式两种输送系统的固液火箭发动机开展优化设计.结果显示:虽然增加了管路系统的复杂性,但在总冲相同时,泵压式固液火箭发动机在质量、体积、比冲等性能上均优于挤压式固液火箭发动机,因此具有更大的工程应用潜力和优势.      

固液火箭发动机试验瞬时燃速分析方法

介绍了一种用于固液火箭发动机试验的瞬时燃速分析方法,运用该方法对H2O2/HTPB固液火箭发动机单室双推力长时间热试车试验进行燃速分析,拟合得到该工况下的燃速公式为r=1.847×10-2G0o.7304。根据燃速公式等计算结果对一次发动机试验进行了预估,计算得到的预估内弹道性能曲线与试验结果吻合较好,验证了该瞬时燃速分析方法的可行性,为发动机工作时间较长、氧化剂流率变化较大时的燃速分析提供了一种途径。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

固液发动机实验燃烧器的气固耦合传热计算

针对固液火箭发动机中复杂的燃烧、传热过程,在FLUENT软件的平台上,采用气固耦合传热计算的方法模拟了二维扩散燃烧实验器中的温度、组分分布,并利用动网格方法模拟了固体燃面的不规则热解退移。稳态流场计算的结果和燃面动态退移情况都验证了扩散火焰距燃面的距离和燃面上方主流流速是影响退移速率的主要因素。此方法可以较好地模拟固液火箭发动机中复杂的非定常传热和燃面退移过程,较准确地预示固液发动机的内弹道性能。     

N2O_HTPB固液火箭发动机喷管两相流计算

利用二维轴对称N-S方程对选用氧化亚氮/丁羟基燃料推进剂的固液混合火箭发动机的喷管两相流进行了计算。计算采用MacCormack时间推进预报校正二步格式,采用了Baldwin－Lomax代数湍流模型和两相平衡流模型。计算了三种氧燃比下四个不同喷管的喷管流场参数,并计算了喷管性能,通过比较两相流和气相流的计算结果,分析了不同氧燃比和喷管形状对喷管性能的影响,认为固液火箭发动机的性能主要受氧燃比的影响,为固液混合火箭发动机的设计提供了依据。     

N2O/HTPB固液火箭发动机喷管两相流计算

利用二维轴对称N-S方程对选用氧化亚氮/丁羟基燃料推进剂的固液混合火箭发动机的喷管两相流进行了计算.计算采用MacCormack时间推进预报校正二步格式,采用了Baldwin-Lomax代数湍流模型和两相平衡流模型.计算了三种氧燃比下4个不同喷管的喷管流场参数,并计算了喷管性能,通过比较两相流和气相流的计算结果,分析了不同氧燃比和喷管形状对喷管性能的影响,认为固液火箭发动机的性能主要受氧燃比的影响,为固液混合火箭发动机的设计提供了依据.      

长时间抗强氧化剥蚀固液发动机喷管热结构材料研究

能衔接固体发动机和液体发动机比冲的固液发动机得到广泛研究。由于固液发动机的强氧化剥蚀环境,发动机的主动热防护喷管很难满足长时间工作的需求。利用固液火箭发动机,喷管采用主动热防护方案,完成了工作时间长达200s固液发动机的喷管热结构型式设计、热结构材料制备和热结构材料筛选试验。完成两轮热试验工作。初始状态喷管和改进状态喷管均成功通过长达200s固液发动机热试车考核。研究结果表明:(1)固液发动机喷管的热结构设计与抗强氧化、高温烧蚀和剥蚀的材料制备,是保证喷管长时间稳定可靠工作的两个技术关键。(2)采用复相陶瓷复合材料结构件改进喷管的性能一致性、工作可靠性更高,材料烧蚀率相对更低。(3)改进喷管大幅度地提高固液发动机性能,提升燃烧室内压159%,提高发动机推力43%。     

苏联《能源号》运载火箭试飞成功

1987年5月15日,苏联从拜努科尔航天发射场首次成功地发射了《能源号》运载火箭。它是一种大推力通用型新式运载火箭,高60m、最大横向尺寸约20m、芯级直径8m。《能源号》为二级火箭,并联安排,有效载荷采取侧装方式。《能源号》起飞重量在2000t以上,向近地轨道运送有效载荷的能力超过100t。发动机采用“聚束式”方案,第一级(助推级)有四台发动机分别装在芯级外侧,推进剂为液氧-碳氢燃料,单台推力8000kN。第二级(芯级)由四台发动机组成,推进剂为液氧-液氢,单台推力2000kN。主发动机具有较长的工作寿     

发动机推力调节能力对系列构型运载火箭总体性能影响研究

调研了国外运载火箭液体发动机推力调节能力,重点介绍了俄罗斯RD-180发动机和美国SSME发动机分别在宇宙神系列运载火箭和航天飞机中的应用情况,以2500 kN推力量级的液氧煤油发动机为基础级核心动力,采用模块化设计思路构建了包含四种构型的系列运载火箭,并以系列构型火箭总体性能最优为目的,开展了发动机推力调节能力对运载火箭运载能力、落区调整、减载设计等总体性能参数的影响分析工作,最后提出了我国2500 kN推力量级液氧煤油发动机的推力调节需求。     

50吨级氢氧火箭发动机的设计与研制

系统性地回顾了长征五号运载火箭芯一级50t级氢氧火箭发动机YF-77的设计与研制历程。通过分析氢氧发动机的特点以及国内外氢氧发动机的发展现状,阐述了国内新一代运载火箭研发的技术路线和50t级氢氧火箭发动机的研制背景;对50t级氢氧火箭发动机的总体技术方案及其特点进行了分析与总结,并在此基础上对发动机主要组件的技术方案及其特点开展分析;对发动机热试车情况、可靠性验证情况和故障排除情况进行了分析;对50t级氢氧火箭发动机的研制情况、技术特点进行了总结,并对国内氢氧发动机和液氧/甲烷发动机的发展进行了展望。     

常规运载火箭解决落区安全问题的方法

常规运载火箭在内陆发射场发射,落区在国内。火箭子级返回过程中存在空中解体或触地爆炸的可能性,落区安全性问题比较突出。常规运载火箭短时间内无法实现重复使用的目标,为解决落区安全性问题,在火箭不需做较大改进的情况下,采用将推进剂空中排放或者发动机空中再次点火将剩余推进剂燃尽措施,降低火箭子级落地速度并解决子级触地爆炸的问题;同时采用栅格舵控制子级落点,将落区范围缩小,提高常规运载火箭发射落区安全性。     

固液火箭发动机装药设计优化

按两类不同的气化速率公式,讨论了固液火箭发动机燃料装药优化设计的方法和程序,并针对某ＨＴＰＢ／ＬＰＸ（或ＧＯＸ）发动机,给出了多孔装药在不同孔数的情形下某些参数随时间的变化以及另一些参数的总体值或平均值,最后应燃料装药设计和配方设计给出了某些结论。     

日本研制两种固体顶级发动机

日本计划于1989年初用M-3SⅡ-4运载火箭发射绕极轨道飞行的极光研究飞行器EXOS-D;于1989—90年之间使用M-3SⅡ-5发射飞往月球的空间工程实验飞行器MUSES-A.为了这两次发射,日本正在研制两种新型固体顶级发动机,它们分别命名为KM-D和KM-M.这两种发动机采用了许多新技术,标志着日本固体火箭技术的新水平.     

固液火箭冲压发动机研究

为了研究适应较大空域稳定工作的冲压发动机，选定固液火箭冲压发动机为研究对象。确立了发动机的理论计算方法，优化了发动机的设计，并在试车台架上模拟大范围的飞行工况进行了试验考核，较好地验证了理论的正确性。固液火箭冲压发动机有其独特的性能，根据不同需求调整液体燃料与固液体推进剂的比例，可达到最优组合，具有广阔的应用前景。