可延伸出口锥对推力向量控制系统稳定性的影响

介绍了喷管可延伸出口锥对大型固体火箭发动机推力向量控制系统稳定性的影响,并提出了改善其系统稳定性的措施。     

国外大型团体发动机喷管性能分析

概述了国外大型固体发动机喷管所用的主要材料及质量特性、喷管效率等性能。分析了采用可延伸出口锥的优越性，并结合我国情况，为缩小差距，提出了所应采取措施的建议。     

惯性末级火箭的可延伸喷管获得批准

美国空军和航宇局已决定在惯性末级火箭的两台固体发动机中较小的一台上使用可延伸喷管。这样,惯性末级将成为第一个使用近几年发展起来的可延伸喷管技术的火箭。这种较小型发动机的主喷管,从喉部到出口面长约0.80米,利用套装在一起的两个碳碳出口锥,喷管可分两步延伸。每次使喷管伸长0.6米,即第一步伸长到1.4米,尔后达到2.0米。经两步延伸,将使膨胀比从47.3增加到173.6。可延伸喷管将以成套组件的形式应用。如用于特殊任务,空军的兴趣集中于两步延伸喷     

美国三个主要公司为MX导弹研制可延伸喷管

赫克力斯公司,航空喷气固体推进公司和联合工艺公司正在为MX 洲际弹道导弹第二级研制可延伸喷管出口锥。目前已在进行点火试验。赫克力斯公司研制的可延伸喷管是采用碳一碳可扩张的皱褶裙(expandableskirt)。该装置已进行发动机点火试验。膨胀比88:1,喉径2时(50.8毫米),燃     

延伸喷管延展撞击动力学分析

运用MARC软件对某发动机延伸喷管进行了非线性瞬态动力学分析，得到出口锥与延伸锥延伸过程仅经受撞击力作用下的变形及应力随时间的变化情况。对接合部位的密封圈进行了大变形处理，并在计算过程中对网格进行了重新划分。计算结果表明，该喷管出口锥与延伸锥结构是安全的，但考虑到材料性能的波动，安全余量较小，应从设计上保证产品的可靠性。该计算方法对延伸喷管的设计具有指导意义。     

双级延伸喷管高空展开过程动力学耦合仿真研究

带有延伸喷管的固体火箭发动机一般采用热分离方式进行级间分离,要求延伸喷管按照先点火、后展开的时序进行工作。因此,延伸喷管的展开过程实质上为一个燃气流动与延伸锥运动相互耦合影响的过程。为了详细分析和评估在燃气流场和延伸喷管展开相互耦合影响下尾流的变化和延伸锥的展开情况,根据Fluent软件中的用户自定义函数(UDF)功能提出了一种耦合仿真方法,并据此对某型双级延伸喷管的展开过程进行了耦合仿真研究,得到了在延伸喷管展开过程中尾流的变化以及延伸锥的运动和气动力等参数随时间的变化情况。计算结果表明,在延伸喷管展开过程中,延伸锥及其展开机构所在的空腔内的温度出现短时剧烈波动,需对其进行一定的热防护;在高空工况下,流场气动力对延伸锥的展开主要为阻碍作用且影响较大,当气瓶初始压强低于1.0 MPa时,延伸锥可能出现无法展开的情况;耦合仿真结果可反映出发动机工作时延伸锥的实际展开情况,可对延伸喷管能源系统输入参数等设计提供指导。     

级间热分离条件下带有延伸喷管的固体火箭发动机尾部流场分析

通过数值方法求解二维轴对称N-S方程,对级间热分离条件下带有延伸喷管的固体火箭发动机尾部流场进行了数值分析。分析表明,展开前,受限尾流使延伸锥、发动机后封头及基础喷管外壁处于严重的热环境中;展开过程中,尾流作用在延伸锥上的气动力变化剧烈。计算结果对发动机的热防护设计及展开机构的驱动力设计提供了依据。     

可延伸出口锥的研制与试验

1979年法国欧洲动力装置公司(SEP)开始研制可延伸出口锥(EEC)。共进行了六发点火试验,均取得成功。下一发点火试验计划在1987年6月进行,届时,将对四种不同方案进行评估,其中包括折叠花瓣式及套筒锥式两种方案。EEC是固体火箭发动机喷管的一个复杂部件。为了提高它的可靠性及降低研制成本,设计必须尽可能简单。碳/碳部件采用三向增强细编织结构,可以做到设计简单,适用于目前既复杂又能装配的结构。如花瓣式和套筒锥式就可以采用这种称为SEPCARB NOVOLTEX材料。     

弹道导弹性能与喷管/延伸出口锥设计变量之间的关系

本研究的目的是确定导弹性能和喷管、延伸出口锥某些设计变量之间的参数关系。所讨论的导弹性能参数是有效载荷的变化(ΔPL)和由此产生的有效载荷与弹重之比(PL/GW)。本文对固定弹长和固定弹重两种导弹的结构进行了研究。两者均根据先进的技术设计和有风险的工作条件,并带有基准的金属延伸出口锥。对于固定弹长的导弹来说,最大的有效载荷变化效应是由第一级和第三级喷管潜入深度、第二级延伸出口锥半角、喷管/延伸出口锥连接面面积比和各级的飞出角等产生的。对于固定弹重的导弹来说,最大的有效载荷变化量主要受第二、三级喷管/延伸出口锥连接面面积比和延伸出口锥半角的影响。     

先进的航天发动机试验

本文报导一种航天发动机的高空模拟点火试验。这种发动机综合利用了几种先进技术:90%固体燃料的端羟基聚丁二烯/铝粉/过氯酸铵/奥克托金推进剂;在凯夫拉壳体内的头端满装药;无支撑的整体喉部和收敛段入口;特轻的喷管和用充气膨胀的作动筒展开的可延伸出口锥。这次试验结束了法国欧洲动力公司和美国联合工艺公司化学系统分部之间为期两年的分工协作的研究和试制工作。所达到的比冲值被认为是复合推进剂在样机发动机中的一个最高记录。     

MX导弹第三级样机评价

本文评述赫克力斯公司正在为空军研制的MX导弹第三级的设计。第三级固体发动机的许多部件和材料都选用了最新的技术。这些新技术包括:带有碳复合材料裙的凯夫拉49发动机壳体;二维和三维碳/碳复合材料的轻型喷管;硝酸酯增塑的聚醚推进剂(NEPE),这种推进剂比冲高、延伸率大;以及两节套筒式可延伸出口锥(EEC)。这些新技术的应用提高了整个发动机的性能。本文对第三级的设计及其主要部件都作了概要介绍。为了说明MX第三级的设计是切实可行的,还将MX第三级各部件设计与以前研制的发动机作了比较。     

国外大型固化发动机喷管性能分析

概述了国外大型固化发动机喷管所用的主要材料及质量特性、喷管效率等性能。分析了采用可延伸出口锥的优越性，并结合我国情况，为缩小差距，提出了所应采取措施的建议。     

高性能空间发动机IPSM-Ⅱ

Morton Thiokol 公司经营的二期计划的提高性能的空间发动机—IPSM-Ⅱ采用了一系列的新技术:扁封头凯夫拉/环氧树脂壳体、90％固体含量的丁羟/奥克特金复合推进剂、头部满装药柱、片状点火系统、带有三维编织整体喉衬和入口段的球窝摆动喷管、带球形螺杆展开系统的可延伸出口锥和铌合金(C-103)气体展开裙,出口锥为二维C/C 制品。由于 IPSM-Ⅱ发动机采用了上述许多新技术,使它能比现行的惯性顶级发动机从航天飞机上多运载771kg 的有效载荷进入地球同步轨道,使有效载荷达到3100kg。     

固体火箭发动机喷管型面最佳化技术的研究

本文分析了喷管型面结构对固体推进剂火箭发动机性能和效率的影响。本研究使用三种分析方法,它们是:赫克力斯的Ⅰ_(SP)法(HIMET),固体性能程序(SPP)和普度大学 Jo-seph Hoffman 博士的直接寻求法。这些分析方法确定发动机中的流动和热损失,并以比冲(I_(SP))损失表示。在本分析中,分别考虑了扩散、摩擦、热、粒子滞后、侵蚀和化学不平衡等方面带来的损失。对采用抛物线、园弧线和特征线的喷管型面的发动机进行了性能比较。在固定喷管外轮廓(长和直径)不变的条件下研究了典型的低空和高空工作的发动机。这些计算结果对喷管型面设计有了有益的深入理解。本研究指出:第一,最佳起始扩散角随所采用的喷管型面和分析方法而变;第二,对于给定的喷管外轮廓,不论是抛物线型面、园弧线型面还是特征线型面,所获得的最大比冲基本上是相同的;第三,如果喷管型面不是最佳,就会出现明显的性能损失;第四,分析的Ⅰ(SP)预示方法能有效地用于固体推进剂火箭发动机的喷管型面设计;第五,可延伸出口锥能改进主喷管的性能。     

MX导弹喷管用先进材料评论

目前正在进行研制石墨材料,准备用于MX 第一级和第二级固体火箭喷管的入口部,喉部,后喉部,出口锥和可延伸出口锥。这些材料必须经受住新型洲际弹道导弹(ICBM)喷管系统的苛刻的结构、化学侵蚀,粒子冲刷和高温环境。该系统的燃烧室压力可达127公斤/厘米~2,火焰温度为3700°K 至3922°K。叙述了第一级和第二级全尺寸试验喷管的现状。还提出了在喷管设计、石墨材料研制以及预期性能改进方面进一步工作的方向。     

远地点发动机碳/碳喷管的进展

本文试图分析近五年来远地点发动机碳/碳喷管的设计进展。第一代碳/碳喷管的特征是:①用多向增强的碳/碳编织的小型整体的喉衬和入口段(整体的喉衬和入口段以下简称 I.T.E);③薄壁的碳/碳出口锥与 I.T.E 用螺纹连接。出口锥前端的直径小,引起了振动特性问题和制造成形困难。为此所作的一项改进是加大出口锥前端的直径,这样产生了一个新的无支撑延伸的 I.T.E 方案。最近有一项改进具有当前技术水平,就是用新的 V 式锥形接头代表出口锥和 I.T.E 之间的螺纹接头。本文讨论了这些不同设计的优点和试验结果。远地点发动机喷管设计的下一项改进将是采用陶瓷/陶瓷材料把喷管与燃烧室连接起来。     

延伸喷管展开ADAMS动力学仿真

利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS进行延伸喷管展开动力学仿真,在已知延伸喷管结构尺寸、各部件质量特性、作动筒内压力及各种展开阻力的条件下,计算了延伸锥展开位移、速度和加速度。并与试验结果比较,两种结果接近。对计算结果分析得知,在保证展开时间满足要求的前提下,适当降低展开速度并尽可能匀速展开,可以减小展开过程中延伸锥与基础喷管之间的撞击力;为了保证展开可靠性,作动筒的展开力应有一定持续时间,尽量避免出现压力峰后压力突降。对固体火箭发动机延伸喷管设计与研究具有重要意义。     

液氧/铝月球火箭发动机设计

本文对含铝(Al)33%的液氧(LOX)单组元推进剂火箭发动机进行方案设计研究。发动机分为挤压式和泵压式两种方案,推力分别为26.69kN 和444.83kN。提出了发动机的计算参数和假定参数。通过讨论发动机的主要分系统如单组元推进剂贮箱、供应管路、泵、涡轮、燃烧室和喷管/出口锥等,指明完成设计程序的关键分析难点和所需数据。与分析结果一起指明一种新组合件:火焰回流捕获器。该装置的功能是阻止火焰峰延伸部分通过推进剂管道进入贮箱。Al/LOX 火箭发动机的主要设计难点是其热流量高,通常比常规火箭发动机高出很多。结果表明:由于热流量太高,挤压式发动机采用超临界 LOX 冷却是不可能的,而泵压式发动机 LOX 流量大,冷却则可以实现。考虑到铝粒在单组元推进剂中的点火延迟和燃烧时间,建议推进剂雾化到200μm 或更小。推进剂中 Al 含量低,导致燃烧长度不能接受。除出口锥以外,Al 和氧化铝的侵蚀不是设计中的主要问题。现在的计算机程度能够预示出口锥造型,这种造型的喷管出口锥不经受颗粒的冲击侵蚀。同时还提出了校验出口锥造型的设计准则。     

固体推进剂火箭发动机的性能予示和高膨胀比喷管的应用

提出了予示固体推进剂火箭发动机的比冲和特性速度的分析方法。这个方法强调了二维两相流分析,它是以准确的跨音速解为基础,并且给出金属含量高的推进剂的大部分性能损失。它应用于可忽略燃烧损失和出口锥上无粒子撞击的发动机。以一系列的缩比发动机、全尺寸发动机和5台装有高膨胀比喷管的远地点发动机实验结果为背景,评价了它的有效性。膨胀比在很宽的范围内(从9到92)在予示值和实验结果之间完全一致。从本研究得出结论,提出的这个方法是性能予示的一个很准确工具,并且对高膨胀比喷管的气动力设计和分析很有用,这样的喷管对期待中的未来应用是特别有意义的。     

航天飞机高性能固体火箭发动机

序言固体火箭发动机(SRM)是航天飞机固体助推器的一个部件。SRM的结构包括四个发动机段和一个单独的后出口锥组件。点火系统安装在前段内,可动喷管和后段相连。航天飞机每次飞行需用两台固体助推器,所以固体发动机应配对生产,然后由铁路运到发射阵地进行垂直装配。喷管有一柔性接头,用钢和橡胶薄板交替粘结而成,可提供达8°摆角的全轴向量控制。其控制靠每个助推器后裙处的两个液压动力装置驱动两个液压作动筒。 SRM是由Morton Thiokol(莫顿—锡奥科尔)公司在犹它州的Wasatch分部按照NASA马歇尔飞行中心的合同设计、研制和生产的。STS—7及其以前的各次飞行所用