铌铪合金推力室身部表面高温防护涂层的工艺技术研究

铌铪合金具有较高的高温强度,是轨姿控液体火箭发动机推力室身部的主要结构材料,但在工作环境中易发生氧化“粉化”,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层.本文主要研究了硅化物涂层对铌铪合金热防护行为,包括涂层的成型过程、高温抗氧化行为及高温抗热震行为等.试验结果为:涂层在1 700℃下的氧化寿命7 h,1 400～800℃的空冷热震循环次数4 700次,表面粗糙度30～60 μm.并对铌铪合金推力室身部涂层热试车情况进行了详细分析研究,对涂层在富氧高温燃气冲刷作用下的工作机理进行研究分析,总结了硅化物涂层的热防护机理,研究的新型硅化物涂层在高温条件下具有较好的性能.     

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。     

高性能的400N MMH/NTO双组元远地点发动机

本文介绍了 Dasa(戴姆勒-奔驰宇航公司)新型的400N 远地点发动机鉴定试验结果。该发动机采用 MMH/N_2O_4地球可贮存推进剂,其比冲比 Dasa 第一代再生冷却的远地点发动机至少提高98m/s。根据 Dasa 10N 推力室的经验,新型的400N 发动机也采用了无涂层的铂合金推力室,同时喷注器也进行了改进,能够满足性能指标要求。一台发动机完成了鉴定试验,先进行一般的验收试验,接着进行鉴定试验。经充分的验证表明,发动机在420N、入口压力1.7MPa 状态下,额定比冲3116m/s.在鉴定试验中,发动机共消耗推进剂2663kg,重复点火起动128台次,并完成10个完整的热循环。最长工作时间4000s,热和冷的推进剂入口温度45℃和0℃。He 气引入的发动机稳定性评定,高温起动能力以及从1.3MPa 至2.0MPa 的供应压力的变化等,均作为鉴定试验大纲的内容。本文阐述了鉴定试验的结果,并进行了讨论。另外,还报告了三台发动机在轨飞行结果。     

燃烧室压力对440N空间发动机性能的影响

采用辐射冷却的铱一铼440N 推力轨道转移发动机,为增加比冲,提高燃烧室压力是最有希望的潜在途径。将燃烧室压力提高达3.5MPa(绝),不仅可以得到3283m/s 以上的比冲,而且可以显著降低发动机结构尺寸和重量。如果就利用现在使用的空间运载器上的贮籍,燃烧室压力提高到1.75MPa(绝)是切实可行的。如果把燃烧室压力提高到3,5MPa(绝),则只需增加一个用电力驱动的小型泵,便可以轻易地实现。推力室热试验采用四氧化二氮/肼,1.75MPa(绝)燃烧室压力试验采用铼材料推力室;3.5MPa(绝)燃烧室压力试验则采用铜材料推力室。在燃烧室压力为1.75MPa(绝),喷管面积比为300:1的条件下,实际比冲可以达到3263m/s。试验结果表明,铼燃烧室温度满足其长寿命极限要求,并且没有遇到稳定性,相容性和热的有关问题。     

液体火箭发动机辐射冷却身部材料研究进展

辐射冷却是上面级和空间液体火箭发动机推力室身部最常用的冷却形式,近年来在部分大推力、高性能二级火箭发动机喷管中也得到了应用。辐射冷却身部材料的耐高温性能和密度,直接影响液体火箭发动机的比冲、推重比和可靠性。通过查阅国内外文献,综述了钛合金、高温合金、难熔金属和碳纤维复合材料等材料在国内外液体火箭发动机辐射冷却身部中研究和应用情况,结合液体火箭发动机推力室身部燃烧室段和喷管段服役工况,对不同材料特点进行了分析。研究对标未来高性能、高可靠和低成本液体火箭发动机的发展需求,并对近年来发展起来的铱/铼/碳-碳复合材料、低密度铌合金和3D打印难熔合金进行了概述。     

氧化物涂层铱/铼燃烧室的长寿命试验研究

一种铼作为基材、铱作为涂层和铱-陶瓷氧化物作为复合涂层的22N 推力室,采用 GO_2/GH_2进行了热试。推力室完成了以下试验,一台在额定混合比(MR)4.6,室压(Pc)0.469MPa 下,工作了将近39h;另一台在额定混合比5,8,室压0.621MPa 下,工作了13h以上。另外四台推力室,采用改进的工艺制造的铱-氧化物作为复合涂层/Re 推力室也进行了热试。在 GO_2GH_2低混合比下的试验表明:在地面可贮存推进剂的相对较低氧化气氛的燃气中,燃烧室的寿命能大大提高。在靠近喷注器附近的区域里,处于混合比接近17的试验表明:混合过程的推进剂可能使铱涂层破坏,而氧化物涂层则起着保护涂层的作用。铱一氧化物复合涂层/Re 推力室能够在苛刻的氧化燃烧气氛中使用,如高混合比 GO_2/GH_2、氧/烃以及液体火炮推进剂。其中一台在额定混合比16.7,室压0.503MPa 下,工作了1.3小时。     

铌铪合金表面硅化物涂层的高温失效行为分析

铌铪合金为轨姿控液体火箭发动机推力室身部主要结构材料,在高温有氧的工作环境中易发生氧化粉化,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层。通过分析铌铪合金表面硅化物涂层的高温氧化、高温热震、瞬时高温烧蚀和热试车行为,阐述高温条件下的氧化失效行为。试验结果为:涂层1 800℃以下氧化条件下,表面形成致密的二氧化硅氧化膜,使得涂层的氧化寿命大于2 h;1 800℃以上的超高温氧化条件下,高温热冲击作用,涂层内部形成大量的烧蚀型网格结构,表面未形成二氧化硅氧化膜,氧化寿命小于10 s;热试车考核中,涂层满足推力室外壁面温度1 350℃以下的使用工况,抗氧化能力较好,随着氧化温度升高,涂层高温抗氧化能力迅速衰减。     

甲烷/氧气双组元微型推力室的实验研究

为研究微小推力室的工作特点,建立了双组元微小推力室的地面实验装置和数据采集系统。在内径为4mm,喉部直径为0.4mm的微小推力室内,采用氧气和甲烷气体作为推进剂进行了点火热试车,实时测量燃烧室压力和壁面的温度分布。实验结果表明,在富燃工况下,随着混合比的升高,燃烧温度和燃烧室压力逐渐升高;当混合比一定时,随着总流量的增加,燃烧室压力增加,微小推力室的推力和比冲也在升高。微小推力室的真空推力达到120mN,真空比冲达到了240s。     

硅化物涂层对铌钨合金的热防护行为研究

钨合金作为轨姿控液体火箭发动机推力室身部的主要结构材料,在工作环境中易发生氧化粉化,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层。利用涂覆及真空烧结复合工艺在铌钨合金表面制备高温抗氧化涂层,研究硅化物涂层对铌钨合金的热防护行为,包括涂层成型过程、高温抗氧化行为、高温抗热震行为及试车热冲刷行为等,试验结果为:涂层在1700℃下的氧化寿命为11±0.78 h,1800℃下的氧化寿命为5±0.46 h,1650℃~室温的水冷热震循环次数为124±9次,1600~800℃下的空冷热震循环次数为3410±124次,并且在热试车考核中涂层通过了长程10000 s的考核,分析硅化物涂层的性能和失效机制,总结了硅化物涂层的热防护机理,研究的新型硅化物涂层在高温条件下具有较好的性能。     

115N肼催化分解推力室的研制

本文介绍了真空推力为115N 的肼催化分解推力室的设计、生产及试验情况。讨论了设计准则和有关问题。推力室在落压式系统通常使用的落压比4:1的压力范围(2.2～0.55MPa)内进行了试验。试验分别在地面和高空条件下进行。实测的推力、室压、比冲均达到设计值。讨论了某些试验过程中出现的低频室压振荡机理。     

再生冷却推力室的多学科设计优化

以某型火箭发动机的再生冷却推力室为研究对象,建立了关于推力室的几何型面、质量、流动、传热和结构应力的仿真模型,在iSIGHT软件平台上利用基于响应面模型的协同优化算法对其进行了分布并行的多学科设计优化(MDO),优化目标为权衡推力室质量、出口比冲和冷却通道压降的综合改善。改进的计算结果表明了MDO在推力室设计中的可行性和实用性。     

双组元推力室热防护涂层工艺技术研究

针对双组元姿轨控发动机推力室铌铪合金材料的高温抗氧化防护进行了涂层工艺技术研究,在合金表面制备了Si-Cr-Ti体系硅化物涂层,通过真空烧结、高温抗氧化和热震试验、显微组织分析,对涂层的成型过程、形貌、组织结构、性能和防护机理进行了分析。结果表明,通过真空烧结形成了过渡/结合层、致密层和疏松层结构的硅化物涂层,过渡层分布均匀,致密层厚实,疏松层相对较薄且成型较好,经过两代工艺优化,涂层在1 700℃下的氧化寿命达到7 h,1 400~8 00℃空冷热震循环寿命达到4 500次,在热试车考核过程中涂层最高工作温度可达到1 350℃,试后涂层依然具有一定厚度的致密层,具有高温防护作用,满足型号对涂层性能的要求。     

含铝锂合金丁羟推进剂的能量性能研究

依据最小自由能原理，采用固体推进剂能量特性计算程序计算了标准条件下含铝锂(Al-Li)合金丁羟(HTPB)推进剂的能量性能，研究了不同Li含量的Al-Li合金粉对HTPB推进剂比冲、密度、密度比冲及特征速度的影响；并采用爆热、爆热残渣粒度分布以及活性铝含量验证了Al-2.5Li(Li质量含量为2.5%)合金粉对HTPB推进剂能量特性的影响。理论计算结果表明，采用纯Li取代Al粉，HTPB推进剂的标准理论比冲最大可增加58.11 N·s/kg;当以Al-Li合金的形式取代Al粉时，不同Li含量的Al-Li合金对HTPB推进剂配方的能量性能参数影响不同，标准理论比冲以及特征速度呈现增加的趋势，密度以及密度比冲呈现降低的趋势；当以Al-20Li合金替代Al粉时，HTPB推进剂配方的标准理论比冲最大可提高39.10 N·s/kg。爆热试验结果表明，含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂的爆热略高于Al粉配方，燃烧残渣粒度d₄₃低于对照配方；含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂燃烧残渣活性铝含量低于对照配方。     

高室压脉冲液体火箭发动机特性试验

为了研究高室压脉冲液体火箭发动机工作原理,增压规律以及脉冲特性,通过一系列冷热流试验对试验发动机进行了研究。冷流试验中使用水和氮气作为工质,试验发动机实现自主脉冲工作,验证了差动式可移动活塞应用在推力室中具有增压效果。热流试验中使用气氧/酒精为推进剂,使用传统挤压式推进剂供给系统。在可移动喷注器行程0.8mm条件下,获得9次连续脉冲,燃烧室峰值压强5.511MPa,高于推进剂供给压强（氧气路3.761MPa,酒精路4.424MPa）,表明在相同的推进剂供给压强下,高室压脉冲液体火箭发动机能提高燃烧室压强。     

闭式循环液体火箭发动机

本文主要介绍萨莫拉国家科研生产联合体(TRUD)研制的 NK—33、NK—43、NK—39和 NK—31可重复使用的闭式循环液氧煤油发动机方面的经验。这些发动机结构布局经济合理,具有真空比冲为3247.11m/s～3462.93m/s(对应于 NK—33和 NK—31发动机的比冲),质推比约为0.000815kg/N(对应于 NK—33和 NK—43发动机)的最佳性能参数。本文探讨了在这几种发动机的研制和主要组合件的研究过程中产生的主要问题。此外本文也介绍了燃气发生器、涡轮泵组件、推力室和发动机总体结构的主要参数、试验数据和试车数据的处理方法。     

10吨级高性能膨胀循环发动机的设计研究

本文讨论了10吨级高性能膨胀循环发动机的设计研究,采用的室压超出了目前的钢管极限,以便在给定的钟形喷管设计和发动机长度下改善发动机的比冲性能。发动机的基础推力为100kN,可扩展到150kN。发动机最大长度2.4m,最大质量275kg,最小比冲为4512.6m/s。结果发现采用现有技术或稍加改进就可以实现100kN 的发动机,而150kN 的增强型发动机则需要能提高推进剂热性能的新燃烧室技术.为达到这一目的,Dasa正在实施先进的膨胀燃烧室技术计划。采用可延伸喷管可得到大约68.7m/s 的比冲增量,但以增加重量为代价。对阿里安5增强型低温上面级发动机,要求发动机推力150kN,调节能力为30%。本研究以此作为推力室性能优化的基础,并提前设计了这一新型欧洲上面级发动机。     

小卫星上的低成本40N过氧化氢/煤油双组元推力室研究

未来的小卫星将需要高性能的双组元推进系统,传统自燃推进剂由于其毒性和复杂的使用维护要求而使得成本极高.采用绿色推进剂可以降低使用成本,同时又能提供和传统自燃推进剂相当的性能.该文介绍了推力40N挤压式HTP(高浓度过氧化氢)/煤油双组元推力室的设计和加工.采用简单的喷注器结构,特征速度效率在90%～92%范围内.设计的新型冷却系统采用过氧化氢分解气体作为冷却剂,提高了密度比冲.发动机采用标准材料,以减少设计开发和制造成本.采用占总流量16%的过氧化氢分解产生气膜来冷却喷管,已经得到验证可适应连续工作的要求.采用上述方案,估计获得实际真空比冲2577m/s是可能的.     

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...     

硝酸羟铵基单元推进剂小推力室的性能和寿命试验

由硝酸羟铵(HAN)、甘氨酸和水组成的单元推进剂对环境无害。采用这种新型推进剂进行了火箭发动机试验,以测定小推力(4.5～9.0N.推力级别)催化分解推力室的性能和寿命特性.研制硝酸羟铵基推进剂长寿命催化反应室,是对当前单元推进剂技术的挑战。硝酸羟铵与燃料配混燃烧后产生的燃气,分子量比较高,需要把燃烧室温度限定在目前催化剂耐高温性能范围内,以便将发动机比冲保持在能够接受的水平。硝酸羟铵与燃料配混燃烧后产生相当多的水蒸汽,使工作环境更加恶劣。传统的贵金属催化剂在这种高温水蒸汽环境中,表面积和活化金属都有所损耗。通过发动机性能试验和寿命试验,本文讨论了目前硝酸羟铵推进剂推力室研制过程,推力室设计和催化剂选择方案。     

液氧/液甲烷姿控发动机点火技术研究

液氧/液甲烷推进剂组合具有高比冲性能以及其他优异的综合使用性能,已经成为未来空间化学推进的重要发展方向之一。点火技术作为液氧/液甲烷姿控发动机的重大关键技术,对发动机可靠启动、响应特性、脉冲一致性等关键指标具有重要影响。欧美国家已经开展系统以及相关组件的预先研究,其中美国已经完成了系统级的地面自由飞行试验。国内也已开展了低温推进系统技术论证,并开展了主发动机、姿控发动机以及点火器、低温贮箱、低温阀门等关键组件的研发。针对液氧/液甲烷低温推进剂组合进行了点火技术分析筛选和试验研究,验证了电火花点火与激光诱导等离子点火两种方案的原理可行性。试验表明在入口条件从气态到液态的宽广范围内两种方案均能实现可靠、可重复点火,两种点火方式对于LO_x/LCH_4发动机均原理可行。试验得出可靠点火的火花能量边界特性、混合比边界特性、响应特性以及脉冲特性,为后续液氧甲烷发动机设计提供依据。