NASA在研究航天飞机主发动机用的新材料及新工艺

航天飞机主发动机(SSME)一种可重复使用的空间发动机系统,是现在使用的最为复杂的地面-轨道发动机系统。基于美国最近几十年的空间运输将依赖航天飞机及其衍生型号,美国航空航天局正实施一项研究计划,为有组织地推进可重复使用空间推进系统建立技术基础,其中也包括先进的材料和工艺的开发及评价。     

重复使用液体火箭发动机用材料及工艺研究进展

系统梳理了国外几种典型的可重复使用液体火箭发动机用材料及工艺情况,着重介绍了氢氧火箭发动机、液氧/煤油火箭发动机、液氧/甲烷发动机等可重复使用液体火箭发动机的推力室、涡轮泵、喷管等关键构件材料选用及成型工艺情况。分析各种液体火箭发动机性能需求及结构特点,探究关键材料及工艺技术发展趋势,对比国内可重复使用液体火箭发动机材料及工艺研究现状,为后续可重复使用液体火箭发动机材料及工艺技术发展方向提供思路。     

美国航天飞机主发动机试验故障概况

航天飞机主发动机被誉为迄今为止所研制的最先进、最复杂的液体推进剂火箭发动机。它采用液氢、液氧推进剂,不仅推力大、比推力高,且可重复使用50余次,总工作时间长达27000秒;其动力循环系统、部件结构设计、材料工艺选择、控制系统线路均较繁杂,采用许多新型设计、材料和工     

未来航天技术中的化学推进系统

在今后的航天技术中,动力装置将向着高性能、低成本、多用途、可重复使用的方向发展.综合研究公司最近就航天技术中化学推进系统的发展作了如下的预测.作为航天飞机主发动机的地球轨道发动机,高压、分级燃烧的O_2/H_2发动机是第一个可重复使用的发动机,在今后若干年内,其性能可望得到改善.先进的可重复使用的O_2/C-H发动机技术将继续进行研究,估计在九十年代的中期到后期可投入使用.采用C-H燃料后,提高了推进剂的密度,不仅可增大推力,而且在很大程度上改善了推进系统的推-重比.C-H燃料体系容易实现压力最佳化和使用高空补偿喷管.但需为先进的O_2/C-H发动机研制预燃器、气体发生器和冷却系统.到九十年代中期,航天飞机主发动机的设计性能将提高10～30%.     

焊接技术在航天飞机上的应用

焊接技术是制造航天飞机的主要工艺技术,它对确保航天飞机零、部件的轻重量、高可靠性和长寿命有着十分重要的作用。本文简述了先进的焊接术在国外航天飞机轨道器、主发动机、反作用控制发动机、轨道机动发动机、固体火箭发动机壳体和外贮箱等主要部件上的应用情况。此外,对我国航天飞机焊接技术的发展提出了建议。     

航天飞机热防护用柔性绝热毡

由于对航天飞机轨道飞行器用先进的可重复使用的柔性的绝热材料进行了广泛的实验和大的改进,这种新材料已随时可以装配在轨道器OV-103上。 此种热防护材料不同于轨道器初期使用     

半开式富氧补燃混合循环发动机方案研究

针对未来航天主发动机的应用需求,提出了一种燃料供应系统采用开式循环、氧化剂供应系统采用分级燃烧闭式循环的半开式富氧补燃混合循环发动机系统方案,综合分析了这种新型混合循环发动机所能达到的比冲性能,对比分析了新型混合循环发动机作为可重复使用航天运载器主发动机相比于开式循环和常规补燃循环、全流量补燃循环发动机的优缺点,针对推力为100t级的液氧煤油混合发动机的系统进行计算和分析。结果表明,新型混合循环发动机在主燃烧室压力26.5MPa下,海平面比冲可以达到303s,可以以较小的比冲性能损失为代价,实现涡轮泵介质相容、有效提高发动机设计裕度。     

航天飞机轨道器结构材料和热防护材料的应用现状(二)

二、热防护系统材料(一)对热防护材料的要求轨道器热防护系统的功能是防护轨道器不受外部热和其它环境的影响和损害,使其内部结构温度保持低于付料允许值。它是保证航天飞机达到高度可靠性、重复使用性、可维修性等性能指标的关键性系统。同时,由于以往的一次使用飞船(如水星、双子星座、阿波罗等)均为长度-直径比甚低的低升力、     

含故障统计相依组件的多态复杂系统故障树分析

为精确评估可重复使用火箭发动机系统可靠性,采用带约束变量的布尔算法将状态分析与故障树分析恰当结合,从而对含故障统计相依组件的复杂多态可重复使用火箭发动机系统进行可靠性分析.以航天飞机主发动机（SSME）为研究对象,对管路多态性及预燃室和涡轮泵之间的故障相依性进行深入研究.结果表明:该布尔算法能够很好地消除组件统计相依性从而简化复杂多态系统故障树,组件之间失效相依性对系统可靠性影响较大,因此需要加强组件多态及相依性的研究来获得更精确的系统可靠度.      

二级入轨航天运载器最优分离飞行状态研究

研究水平起降二级入轨航天运载器分离飞行状态（飞行高度、轨迹倾角、马赫数）对轨道器在分离点处的质量（包括结构质量、燃料质量等）的影响。主要内容包括：针对以火箭发动机为动力的轨道器，建立了上升段运动方程。采用静态可变误差多面体算法加上动态共轭梯度法数值优化了轨道器上升段轨迹，优化的性能指标是分离点处轨道器的总质量最小，初始条件受到载机上升段走廊的约束，终端约束是某指定的目标轨道。对分离状态与轨道器总体方案（升阻比、推力、比冲等）对轨道器总质量的影响作了大量数值仿真。针对某飞行器模型，得到了一组最优分离飞行状态。拟合出估算分离状态对轨道器总体方案的影响计算公式。得到了合理选择分离飞行状态的结论。     

近代大型液体火箭发动机的特点

本文对近代大型液体火箭发动机的特点进行了综述和分析.文中指出:使用高能、无毒的液氧、煤油和液氧、液氢为大型液体火箭发动机的推进剂势在必行;采用高压补燃循环系统可以明显提高发动机的比冲、减小发动机尺寸和质量;采用推进剂利用系统可以减少推进剂的剩余量,以提高运载火箭的有效载荷;使用辅助增压泵可降低贮箱压力,并提高发动机主泵的入口压力,以保证主泵在没有汽蚀的条件下可靠工作;高可靠性、长寿命和重复使用对航天产品尤为重要.     

航天飞机轨道器热防护系统

航天飞机轨道器的热防护技术是航天飞机的关键性技术之一。本文介绍了美国第一代航天飞机轨道器所采用的非金属基复合材料热防护系统,美国宇航局兰利研究中心和Kentron国际公司共同设计的所谓近工艺品概念热防护系统,以及美国第二代航天飞机轨道器计划采用的防热系统与机壳融为一体的高级碳-碳复合材料热防护系统。     

PATR发动机关键技术与性能提升途径初探

PATR发动机是针对临近空间高速投放平台、水平起降两级入轨重复使用航天运输器之一级而提出的一种组合发动机。此发动机具有工作速域宽、模态简捷、推质比高及性能优等优点,是组合发动机发展方向之一。介绍了PATR发动机及其特点,分析了影响系统研发的系统设计、高效换热、高效涡轮机、材料及工艺等关键技术。在此基础上,提出了优化系统方案和部件参数等提高发动机性能的途径。     

基于模糊故障树和因子化分析的重复使用火箭发动机失效模式

为确定发动机薄弱环节,指导重复使用火箭发动机可靠性设计,以航天飞机主发动机为研究对象,通过模糊故障树分析法和因子化分析法对发动机主要组件的关键失效模式进行研究.结果表明:模糊故障树分析法给出关键重要度最高的底事件为由剥落、凹坑、磨损和腐蚀致高压氧化剂涡轮泵的轴承失效;因子化分析法通过考虑风险、时间和概率3种因素综合评估出发动机系统中的综合因子最高的失效模式为涡轮叶片失效.      

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。     

液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究

鉴于重复使用运载器对动力系统的技术需求,以我国新一代运载火箭主动力液氧煤油高压补燃循环发动机为研究对象,建立了多参数、非线性以及强耦合的发动机系统仿真平台。在分析国内外变推力液体火箭发动机技术特点的基础上,根据液氧煤油发动机单路推力调节的仿真结果,首次提出了发生器燃料路流量调节器调节、主涡轮前燃气分流以及氧化剂主路节流等相结合,并辅助以气体乳化提高喷注器压降的组合深度推力调节方案。仿真结果表明:发动机推力调节能力可达10:1,且能实现多次点火起动,具有性能高、调节范围大的优点。     

液体火箭发动机健康监控系统中的传感器技术

综述了美国航天飞机主发动机健康监控系统（HMS）的传感器技术，并对我国推进系统HMS的传感器技术的发展策略提出了建议。     

美国两级入轨水平起降可重复使用空天运载器发展综述

文中系统阐述了美国可重复使用空天运载器的发展历程,详细分析了美国开展可重复使用空天运载器(RLV)的研究情况,在系统总结美国可重复使用空天运载器发展情况的基础上,给出了可重复使用空天运载器应具有可重复使用能力、水平起飞和降落能力、采用吸气式组合动力等基本判断,为进一步探讨我国可重复使用空天运载器的整体发展思路提供参考。     

航天飞机轨道器采用氧化硅绝热材料

在载人航天飞行器上采用耐高温可重复使用的氧化硅绝热材料和在战略导弹上采用石墨环氧编织物业已列为洛克希德导弹与航天公司材料研制的重点。称做 LI—900的全氧化硅绝热材料,将用于国家航宇局/洛克威尔国际公司航天飞机轨道器的80%表面防护。在再入大气层时,轨道器的表面温度予料可达600℉至2300℉这种绝热材料将采用涂层瓦片结构,对于600℉至1200℉和1200℉至2300℉的不同温     

可重复使用热防护系统防热结构

本文简单介绍及分析了现用航天飞机轨道器热防护系统(TPS)防热结构和正在研制或计划研制的盖板式耐热承载防热结构,从未来的完全可重复使用飞行器的基本结构布局出发,指出,所谓可重复使用的 TPS,实际上限定于其整机的可重复使用性;现用航天飞机 TPS 防热结构应该是下一代或未来的可重复使用飞行器 TPS 的优选方案,盖板式耐热承载防热结构很可能只是部分应用,直至盖板材料及盖板式耐热承载防热结构完全成熟。