新型硝酸羟铵类单组元推进剂的研制和试验

一组对环境有利的新型单组元推进剂已被确定用于取代无水肼。这组新型单组元推进剂是以硝酸羟铵([N~+H_3OH]NO_3~-)为主要成份的混合物,适合用于推力室和燃气发生器。与无水肼相比,硝酸羟铵混合物密度和比冲比较高,冰点比较低。这组推进剂比较安全,因而降低了地面使用维护成本。美国宇航局路易斯研究中心正在研究硝酸羟铵推进剂的配方,并且设计用于小卫星的发动机。采用试验推力室和模拟飞行状态的推力室,对不同配方的硝酸羟铵进行了热试。推力室的结构材料与无水肼推力室的材料完全一样,只是催化剂不同。硝酸羟铵推力室稳态和脉冲工作数据表明,硝酸羟铵推进剂完全可以取代无水肼和冷气推进剂,用于空间飞行器和其它航天任务上。本文综述了目前有关硝酸羟铵推力室设计规范、推力室研制的进展情况、稳态和脉冲工作试验结果。另外,从推动目前单组元发动机的技术水平出发,提出了在推力室研制过程中所面临的一些具有挑战性的问题。     

过氧化氢单组元推力室最新发展

近来有一种趋势,即重新评估那些有利于环境保护和便于使用维护的推进剂,过氧化氢就是其中之一。它的一些独有的特点使之具有很多用途.它有良好的储存性能,高的密度比冲,作为单组元推进剂,其分解产物为过热水蒸汽和氧气.过氧化氢作为单组元推进剂在五六十年代广泛用于反作用控制系统和驱动涡轮的气体发生器系统.虽然大部分生产设施在七十年代末、八十年代初被闲置,但到目前为止,仍有一些过氧化氢装置在被生产和使用.本文着重描述了以过氧化氢为推进剂的一些装置和其应用范围,提供了相关的试验数据.所用的过氧化氢推进剂是由几个大的推进剂生产厂商提供的.General Kinetics 公司还完成了确定过氧化氢装置寿命标准的试验,并给出了九种不同装置的性能数据.这些装置从推力仅13N 的推力室,直至用于4.45kN 双组元发动机上的气体发生器装置.试验表明,单个装置的寿命超过了6000s。     

变推力发动机用高压强指数GAP推进剂的燃烧性能研究

为了获得变推力发动机用高压强指数聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂配方,采用靶线法研究了氧化剂的种类、粒径及配比、燃速催化剂的种类及含量、以及增塑比对GAP推进剂静态燃烧性能的影响规律,采用?118标准试验发动机对GAP推进剂进行了动态燃烧性能测试。研究表明,通过综合因素调节获得了一种高压强指数GAP推进剂配方,且当燃速催化剂RC-4含量1%时,GAP推进剂在1～15 MPa范围的动态压强指数高达0.66,满足变推力发动机对推进剂压强指数的要求,同时高压区间(9～15 MPa)的动态压强指数为0.51,低于1～15 MPa的压强指数,这有利于推进剂在高压范围内的稳定燃烧,为变推力发动机在高压范围内的正常工作提供依据。     

运载器羟铵硝酸基单组元推进剂评估

由于航天飞行的费用不断增长,且需要进一步提高运载器性能并减少对环境的危害,这些促使考虑改变火箭设计和推进剂选择的标准。以往推进剂的性能优劣仅取决于比冲和密度,现在对环境安全无害及可操作性与费用也是关键因素。目前对这些因素的重视使政府和商业发射商对使用HAN(羟铵硝酸)基液体推进剂作为简单、安全、可靠和高性能的单组元推进系统用推进剂更加感兴趣。     

胶体燃料的燃烧特性研究

现在高性能可长期贮存的火箭发动机燃料和推进剂的研究方向是开发能使用胶体燃料和胶体推进剂的燃烧系统。这种观点的产生是由于在液体燃料中加入胶状添加剂和(或)金属添加剂能显著提高液体推进剂的性能、密度和比冲。掌握胶体燃料单个液滴的蒸发和燃烧过程是预测未来推力室燃烧性能的第一个基本步骤。研究胶体燃料雾滴蒸发燃烧时应用了先进的计算机辅助摄像系统。测量了雾滴的燃烧速率,并精确观测研究了燃烧过程。对室压和氧化剂质量百分比浓度对雾滴燃烧速率的影响进行了量化研究.结果表明肢体燃料比液体燃料燃烧速率慢,而且点火更加困难。     

无毒单组发动机技术研究

介绍了国内外几种无毒单组元发动机技术的研究背景及研究现状。列出了过氧化氢推进剂、羟基推进剂及硝酸肼基推进剂的一般物理、化学特性和主要性能。除比较了上述三种推进剂无毒单元发动机的工作原理及性能特点外，还在推进剂配方的确定、催化剂的选择及发动机结构设计准则等方面进行了初步的探讨，并地三种推进剂发动机的空间应用前景进行了评价。     

无毒单组元发动机技术研究

介绍了国内外几种无毒单组元发动机技术的研究背景及研究现状。列出了过氧化氢推进剂、羟基推进剂及硝酸肼基推进剂的一般物理、化学特性和主要性能。除比较了上述三种推进剂无毒单元发动机的工作原理及性能特点外，还在推进剂配方的确定、催化剂的选择及发动机结构设计准则等方面进行了初步的探讨，并对三种推进剂发动机的空间应用前景进行了评价。     

烃类燃料的冷却性、结焦特性和积碳效应

讨论作为液体火箭推力室再生冷却剂的烃类燃料的冷却性、结焦特性和积碳效应,概述近期国内外有关试验情况.燃料的冷却性由其自身的物理性质(比热、导热系数、粘度)所决定,反映燃料传热性能的好坏.烃类燃料作为冷却剂具有在冷却通道壁面产生结焦的倾向,这是推力空冷却设计需要考虑的一个问题.液氧/烃推进剂燃烧生成的积碳,对高温燃气向推力宣壁传热起隔热作用,能有效地降低推力室热流、壁温和冷却液温升,提高冷却余度.     

织女星火箭进行发动机点火试验

近日,Zefiro 9-A(Z9-A)发动机在位于意大利撒丁岛的试验场成功进行了首次点火试验,这是织女星火箭飞行鉴定试验前的最后第二次发动机点火试验。此次试验检验了弹道性能(压力及推力曲线)、内部热防护效率、推力矢量控制性能,以及传导热与动力环境发动机性能。Z9-A固体火箭发动机是织女星火箭的第三级发动机。发动机点火燃烧了120 s。结果验证了这种改进型发动机预期性能的提升,以及发动机喷嘴坚固性的改进。这种使用新喷嘴设计和优化推进剂加注方式的改进型发动机,完全符合织女星火箭第三级发动机的飞行特性,但为使发动机适应水平状态,使用了截平喷嘴。预计2009年2月,Z9-A发动机将进行第二次飞行鉴定试验,而火箭飞行鉴定试验计划将于2009年末进行。织女星火箭是一枚三级固体推进火箭,有一液体推进剂上面级,起飞质量137 t,能将1 500 kg有效载荷送入高度700 km的极轨,可用于发射各种科学和地球观测任务航天器。织女星小型火箭为4级火箭。其中有三级使用固体推进剂,一级使用液体推进剂。使用固体推进剂的分别为P80一级、Zefiro-23二级和Zefiro-9三级;使用液体推进剂的一级为AVUM。Z9-A发动机整体高...     

HAN基无毒单元发动机常温启动技术研究

与目前采用的肼类推进剂相比,硝酸羟胺(简称HAN)基推进剂具有无毒无污染的特点,可以简化地面操作,减小爆炸的风险和对工作人员的伤害,能极大节约发射和使用维护的成本。然而,HAN基推进剂催化分解速率比肼类推进剂慢得多,因此HAN发动机催化床预热温度越低,可靠工作越困难。对HAN基单元发动机的常温启动技术进行了研究,并对发动机常温启动和120℃启动热试车试验进行了对比分析。研究结果表明:HAN发动机可实现常温启动,但HAN基单元发动机在120℃条件下启动比常温条件下启动更快,工作寿命长;对于常温启动的试验程序,采用脉冲工作时间较短且间隔时间较长的方案,发动机启动更快,工作寿命也更长。     

小型卫星上贮箱推进剂管理装置的设计及研制方法

商业及科研应用的小型卫星需要费用低的推进子系统。一般而言,这类推进系统仅用于通过反作用飞轮来完成轨道嵌入、轨道控制及姿态控制的飞行任务。这就允许贮箱采用简化的推进剂管理装置(PMD)。本文介绍这种推进剂管理装置的设计及研制方法。推进剂贮箱应该是具有较低费用的装置。它是利用叶片作为推进剂管理装置的全焊接钛结构,贮存30kg 肼(N_2H_4)。这种推进剂管理装置没有活动件,毛细功能组件较少,因此,它能够确保贮箱重量轻,结构简单和费用较低。在低重力和推力室连续工作产生的低加速度条件下,这种叶片式表面张力贮箱能够提供所需要的不含气泡的推进剂。研制工作主要集中在叶片式管理装置,它的关键之处是性能及动态特性。由于重力作用,这种管理装置的主要困难是不能在地面进行试验。因此,必须通过模型及低重力试验来验证。建立稳态及瞬态模型,有助于模拟贮箱在不同流量及推力室工作产生的加速度、瞬态过程时的排液情况。依据相似准则,用中性浮力试验来模拟低重力环境。这种试验最大的好处是没有时间限制,所以能够完成一个完整的排液过程。模拟件设计要考虑模拟液与模拟件的接触角代表了氮/肼/钛的接触角。所有的分析及试验圆满完成,证明这种推进剂营理装置具有满意的性能。     

空间飞行器采用的ADN基单组元推进剂绿色推进装置

叙述了为空间飞行器研制一种新的可贮存的液体单组元推进剂所进行的一系列工作,这种推进剂的基本成分是ADN(Ammoniumdinitramide,二硝酰胺铵).以前的报告已经叙述了有关ADN的基本性质及其可能的推进剂组分.与单组元推进剂肼相比,推进剂混合ADN的主要原因是具有低毒性、安全使用性和高性能.这份报告也论述了普通"绿色"推进器的优点,并且着重论述了作为空间飞行器推进剂的优点.论文中阐述了作为"绿色"推进剂的一些最重要条件和符合这些条件的推进器系统.报告的最后,给出了小型试验型火箭发动机点火试验得出的结果,目的是验证前面总结的条件.其中最好的一个结果是小型(推力1N)试验型火箭发动机达到的比冲为240s.推进剂的性能、燃烧稳定性、落压性能和短脉冲性能等特性都得到了验证,但仍然需要验证冷起动性能和工作寿命.概括地讲,从这些工作得出结论ADN基推进器的概念已经得到了确认,并且表明ADN基"绿色"推进器是可行的.瑞典空间公司(Swedish Space Corporation)和沃尔沃航空公司(Volvo Aero)成立了ECAPS,目的是凭借当前现有的技术水平开发绿色推进器,通过试验卫星首次飞行的验证,从而得到接近空间应用的合格产品.     

硼在冲压发动机中应用的特点、展望和问题

本文讨论了与液体冲压、固体通道增压和固体冲压发动机有关的理论能量特性、性能和实际问题。证明了在这些发动机中,尤其是在限制体积的系统中,用硼比用碳氢化合物作燃料将获得显著的理论能量增益。可是,由于硼的燃烧性能差、点燃温度高(1900K),因此要获得高的燃烧效率就须给燃烧系统施加许多特殊的限制。含硼量高的固体燃料和推进剂呈现不规则燃烧,引起推力波动,而且硼粒子的凝聚物由于在燃烧室内停留时间不够充分,可能出现不完全燃烧。     

硝胺丁羟推进剂高、低压燃烧性能研究

通过几种燃速调节剂对含奥克托金（HMX）的丁羟橡胶复合推进剂高，低压的燃烧性能影响实验研究，结果表明，二茂铁衍生物（T27）能有效调节推进剂燃速和降低高，低压段的压强指数，复合燃速调节剂（T27＋CB），并可消除高压段出现的燃速突变现象，该结果可为单室双推力发动机推进剂燃速设计提参考。     

美研制新一代可重复使用运载器

NASA马歇尔航天中心的航天发射倡议项目办公室正在研制新一代以煤油为燃料的可重复使用运载器发动机。目前正在研制两种型号的样机,包括波音的罗克达因公司的RS-84原型发动机和TRW航天与系统公司的TR107原型发动机。 煤油推进的运载火箭并不是新想法,早在20世纪60年代末期将宇航员送上月球的“土星V”火箭的F-I发动机就是使用煤油作为推进剂。但目前研制的第二代煤油发动机和F-1将有很大区别。这种新设计的燃烧循环系统更加合理,推进剂在注入燃烧室之前会被预先加热,燃料和氧化剂都得到了重复利用。为了得到更高的推力,煤油将在更高的压力下燃烧,这种新一代煤油发动机的燃烧室压力约为     

高燃速丁羟推进剂配方研究

通过多种途径的试验,对高燃速丁羟推进剂配方进行了研究.试验结果表明,采用超细防结块氧化剂和液固组合燃速催化剂能使推进剂的燃速达到70mm/s以上(在6.864Mpa压强下);采用组合工艺助剂可改善推进剂工艺性能.本推进剂燃烧稳定,压强指数和温度敏感系数较低,力学性能良好,为高燃速推进剂的研制奠定了良好的基础.     

阿里安-5的上面级发动机

欧洲阿里安-5运载火箭的上面级和使神号航天飞机的推进装置将使用一种真空推力为27.5千牛的发动机,这种压力输送式发动机的预研工作已经结束。热试车表明,用于喷注可贮推进剂的共轴喷注器在性能、燃烧稳定性以及热相容性等方面都能达到设计要求。本文介绍了这种发动机的性能、结构设计和试验等情况。     

490N发动机高精度推力矢量保证方法

针对地球静止轨道(GEO)卫星490 N发动机推力矢量在卫星转移轨道无法通过卫星质心,对卫星姿态产生干扰,进而引发卫星推进剂的多余消耗,使得卫星在轨寿命减少的问题,文章提出了一种490 N发动机高精度推力矢量保证方法,分析了影响高精度推力矢量的各种因素,并从力学安装环境、低变形支架和地面安装调整3个方面进行了设计保证,经风云四号(FY-4)卫星工程研制和飞行验证,转移轨道段推进剂消耗量小于设计值,结果表明:该保证方法可行有效,可为后续GEO卫星的总体设计和研制提供参考。     

中国空间用固体火箭发动机的发展

中国从１９５８年开始复合固体推进剂火箭发动机的探索和研制工作。根据航天技术发展的需求，促使复合固体推进剂火箭发动机从小到大逐步发展起来。在三十多年的研制过程中。解决了壳体材料和成型工艺、推进剂配方和装药工艺、喷管和推力向量控制技术，安全点火和高空点火技术、各种环境试验技术、无损检测和质量保证技术、地面试验和测试技术等。已形成了固体火箭发动机研究、设计、试验、生产配套的基本条件，同时为中国卫星发射提     

低推力化学火箭发动机技术

本文回顾了旨在改进星船上推进系统应用的低推力化学火箭发动机的性能而正在进行的研究计划。通过建立燃烧和流动物理过程的新的预估方法;采用高温材料;改进部件设计优化性能;利用高性能推进剂等项措施.提高低推力化学火箭发动机的性能和工作寿命。改进的预估方法是通过局部和全局的预估值与试验数据的比较得到的。预估值是从有限反应速率动力学的 RPLUS Navier-Stokes 的计算机程序和联合军队、宇航局的方法中得出的。数据是从激光珍断系统和发动机试车实测性能得到的。结果表明,喷注器和燃烧过程的模型需要改进,流动显影技术,例如二维激光—感应莹光(LIF)显影技术对解决流动对称和剪切层的燃烧过程有所帮助。高温材料的制造工艺还在探索中,利用这些材料的小发动机正在进行设计、生产和试验工作。防氧化的铼涂铱保护层用化学气桕沉积工艺制成,从而使燃烧室工作温度升高800K。在地球可贮存推进剂(四氧化二氮和-甲基肼或无水肼)的发动机上,取消液膜冷却,改善燃烧效率.并控制喷注器的热沉温度,通过组合件的重新没计。获得了性能增益。铼铱两种材料互相扩散情况和抗氧化特性表明,推力室要求的几十小时的使用寿命是可以达到的。推力为22、62、440和559N 的火箭发动机已经设计、生产和试验了。试验证明,比冲性能提高了98～196N·S/kg。更高性能的推进剂通过了鉴定。这些推进剂(定义为空间可贮存推进剂),包括作为氧化剂的液氧,作为燃料的氮氢化合物或碳氢化合物。为此,专门设计和生产了液氧/肼发动机,其特征速度效率高达95%,面积比204:1时换算的真空比冲为3381N·S/kg。利用液氧/液氢推进剂,尤其在载人飞船上,其比冲性能可以得到进一步的提高,然而,某些特殊的设计必须改进,并通过飞行考核进一步完善。