某缩尺推力室燃烧和传热特性研究

为了研究冷却剂的流动方向和推进剂的质量流量对推力室燃烧和传热过程带来的影响,以某型氢氧火箭发动机的推力室缩比试验件为研究对象,对推力室的燃烧和传热过程进行了数值仿真。改变冷却剂的流动方向,最高壁面温度相差1.04%,最高壁面热流密度相差0.544%,冷却剂温升相差0.233%,出口压力相差3.803%,分析发现,改变冷却剂的流动方向,对推力室内部的燃烧过程和壁面传热效率影响很小,冷却剂的流动方向会影响壁面温度分布。推进剂质量流量提升22.29%,室压提升22.17%,燃烧效率降低0.55%,最高壁温提升9.16%,最高热流密度提升17.48%,冷却剂温升提高13.05%,分析发现,提升推进剂质量流量会导致推力室壁面温度和冷却剂温升的提高,由于缩比发动机反应空间小燃烧不够充分,提升推进剂质量流量会使燃烧效率有所下降。     

低温发动机试验推进剂入口温度控制

阐述了低温发动机起动前推进剂入口温度对试车的重要性,分析了以往试车入口温度过高的原因。通过对试验系统的改造,采用强迫排放推进剂的方法,降低发动机入口推进剂温度,保证发动机在起动前推进剂入口温度满足试验要求。经试车验证,所采取措施成功解决了试验系统存在的推进剂入口温度过高的问题。     

低温推进剂集成管理技术的发展与启示

低温推进剂集成管理技术(IVF)是实现上面级等航天器长期在轨的新技术思路。通过将液氢液氧长期在轨产生的蒸汽与内燃机技术结合,实现贮箱增压、排气、姿控、沉底、发电功能一体化,减小航天器系统质量,增强任务灵活性。回顾了IVF模块设计的发展过程,探讨了IVF的技术优势,与燃料电池技术、蒸发量控制技术对比分析了IVF技术的使用范围及不足,提出了研究气氢气氧内燃机技术、IVF模块方案设计、系统仿真等关键技术的建议,并展望了其应用前景。     

主动式活塞凝胶流量标准装置的建立

凝胶推进剂是一种非牛顿粘弹性流体,具有粘度高、压力触变性等特点,在发动机实际试车中采用了科氏力质量流量计对凝胶推进剂在实际管路中的流量进行测量。西安航天计量测试研究所结合凝胶推进剂本身的压力触变特性,对凝胶流量计的校准进行了深入地研究。基于主动式活塞液体流量标准装置的结构,通过增设加压/泄压装置,加装在线密度计,设计了一套针对火箭发动机凝胶流量计的标准装置。该装置可以充分模拟凝胶流量计的实际使用工况,实现凝胶流量计的实流模拟校准,进而提高了瞬态流量的测量准确度。本套凝胶流量标准装置具有流量稳定、重复性好及测量范围大等特点,其质量流量测量范围为19.44~3 611 g/s,完全满足我国航天发动机在实际热试车和高空模拟试车中对凝胶推进剂质量流量测量的要求。     

液氢液氧火箭发动机非线性静态特性仿真与分析

在考虑泵后推进剂温度和密度变化的情况下,建立低温液体火箭发动机非线性稳态工作的数学模型,以设计点参数为初始值采用离散牛顿法对大范围参数扰动下氢氧发动机的静态特性进行仿真,并对包括真空推力和真空比冲在内的重要参数的变化情况做相应的分析;在引入故障影响因素的情况下,针对液体火箭发动机中常见的典型故障模式进行稳态故障效应仿真和分析,为该发动机的故障检测与诊断工作奠定了基础。     

液氧密度测量技术研究

液氧/煤油发动机地面试验中,液氧质量流量通过测量体积流量乘以密度来获得,密度测量的准确度直接影响质量流量的测量准确度。影响液氧密度的主要因素是密度的计算公式和温度测量的准确性。介绍了液氧密度的获取途径、计算方法,对影响密度的主要技术问题,特别是液氧温度测量技术进行了深入研究,提出采用测温法计算密度,测温点选在涡轮流量计附近,传感器选用铠装裸露式A级铂电阻,同时推荐了密度计算公式。     

铣槽结构液体火箭发动机推力室壳体热应力分析

介绍了液体火箭发动机推力室铣槽结构热应力的数值分析方法,通过建立液体火箭发动机推力室的流场燃烧和导热理论模型,运用有限体积法考虑液膜冷却计算出发动机工作时的燃气、燃烧室壳体和冷却工质的温度场,将得出的结果作为壳体热应力计算模型的边界条件进行热应力场有限元分析。内、外壁温度的计算数据与实验结果基本相符。     

Combustion behaviour of composite propellant at sub-atmospheric pressure

A family of four composite propellants has been investigated with regard to its combustion behaviour at low pressure. The effect of initial propellant temperature is very severe and sometimes leads to unexpected results, the burning rate being higher at low temperatures. The propellant temperature sensitivity σ_p shows a correlation with temperature and propellant composition. Combustion instability predominantly occurs below 55 kPa and seems to be related to the propellant combustion process itself.     

泵压式氢/氧液体火箭发动机质量分析

在文献资料研究的基础上,根据泵压式氢/氧液体火箭发动机的实际特点,考虑发动机性能参数及结构尺寸等影响因素,利用理论推导、统计学及面密度等方法建立发动机质量模型。通过对SSME、RD-0120等8台氢/氧发动机质量的计算,验证了质量模型的合理性。为发动机在系统方案论证时,其质量、性能等参数的估算和优化奠定了基础。     

SMC模式下RBCC发动机4Ma工况性能仿真

为研究SMC模式下火箭混合比对RBCC发动机性能的影响规律,完成了氢/氧火箭推力室中心布局、二元定几何结构模型发动机飞行马赫数Ma0=4、高度H=17 km弹道点流场仿真,获得了不同火箭混合比(MR=2、3、4、5、6、8)及燃烧室长度的推力、比冲性能.研究表明:在火箭燃气富燃条件下(MR<8),产生了正的火箭推力增益...     

液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

针对液氧煤油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性这一突出问题,建立了喷注单元的低压高频燃烧不稳定性模拟试验系统,使用气气推进剂。利用相似准则设计了缩比燃烧室,研究了全尺寸气液同轴式喷注器的结构尺寸和工作参数对燃烧稳定性的影响。结果表明,激发高频燃烧不稳定性时火焰变短,燃烧室压力出现大幅振荡并伴随啸叫;喷注器缩进室长度对燃烧稳定性裕量有很大影响并存在相对最佳值。试验结果可以指导发动机燃烧室的燃烧稳定性设计和评估,在发动机研制初期筛选燃烧稳定性相对最好的喷注器结构。     

离子与霍尔电推进性能和质量的工程数据模型

为了提供航天工程任务设计时优选离子或霍尔电推进的通用对比分析方法,基于工程数据建立了包括推力器、电源处理单元、推力器选择单元、控制单元、推进剂气瓶、调压单元、流率单元、推力器支架、电缆、管路等产品的电推进的性能和质量经验模型。在此基础上通过推导建立了电推进系统干质量通用模型,模型变量参数包括推力器功率、推力器数量和推进...     

On the capabilities of nano electrokinetic thrusters for space propulsion

A theoretical analysis considering the capabilities of nano electrokinetic thrusters for space propulsion is presented. The work describes an electro-hydro-dynamic model of the electrokinetic flow in nano-channels and represents the first attempt to exploit the advantages of the electrokinetic effect as the basis for a new class of nano-scale thrusters suitable for space propulsion. Among such advantages are their small volume, fundamental simplicity, overall low mass, and actuation efficiency. Their electrokinetic efficiency is affected by the slip length, surface charge, pH and molarity. These design variables are analyzed and optimized for the highest electrokinetic performance inside nano-channels. The optimization is done for power consumption, thrust and specific impulse resulting in high theoretical efficiency ∼99% with corresponding high thrust-to-power ratios. Performance curves are obtained for the electrokinetic design variables showing that high molarity electrolytes lead to high thrust and specific impulse values, whereas low molarities provide highest thrust-to-power ratios and efficiencies. A theoretically designed 100 nm wide by 1 μm long emitter optimized using the ideal performance charts developed would deliver thrusts from 5 to 43 μN, specific impulse from 60 to 210 s, and would have power consumption between 1–15 mW. It should be noted that although this is a detail analytical analysis no prototypes exist and any future experimental work will face challenges that could affect the final performance. By designing an array composed of thousands of these single electrokinetic emitters, it would result in a flexible and scalable propulsion system capable of providing a wide range of thrust control for different mission scenarios and maintaining very high efficiencies and thrust-to-power ratio by varying the number of emitters in use at any one time.     

连续波激光推力器稳定工作条件的解析计算模型

连续波激光推力器工作需要稳定的等离子体以吸收激光。为得到推力器中等离子体稳定维持的参数条件,根据吸收室内绕等离子体区域流动的流场特征,考虑高温状态下工质的热物理性质、激光吸收和辐射效应,建立了推力器吸收室内的能量平衡模型,该模型包含入射激光功率、推力室压强、等离子体区核心温度以及工质质量流量等参数。计算表明,该模型所得稳定质量流量随压力、激光功率的变化趋势与实验结果一致,并解释了稳定质量流量区间存在的原因。     

光敏推进剂激光烧蚀过程建模与仿真

相较于传统大卫星,微小卫星具有结构紧凑、质量轻便和成本低廉的特点。然而,受功率和质量负载的限制,微小卫星一般不装备推进系统,其航线也局限于近地轨道。为扩展微小卫星的功能,满足日益复杂的任务需求,需给其配备合适的微推进系统。固体推进系统具有结构简单、寿命长、可靠性高的优点,但无法重复启动。为得到可重复启动的固体微推进系统,设计了一种非自持燃烧的光敏推进剂,采用激光控制其燃烧。在背压为大气压的环境下,利用高速摄像机拍摄燃烧过程并记录燃速。之后,对光敏推进剂的激光烧蚀过程进行建模。分析结果表明:激光可控制光敏推进剂的燃烧,燃速与激光强度成线性关系;该光敏推进剂的最小激光点火强度为0.28 W/mm~2;燃速计算值与实测值的误差在10%以内,证明该数学模型具备工程应用价值。     

A direct fusion drive for rocket propulsion

The Direct Fusion Drive (DFD), a compact, anuetronic fusion engine, will enable more challenging exploration missions in the solar system. The engine proposed here uses a deuterium–helium-3 reaction to produce fusion energy by employing a novel field-reversed configuration (FRC) for magnetic confinement. The FRC has a simple linear solenoid coil geometry yet generates higher plasma pressure, hence higher fusion power density, for a given magnetic field strength than other magnetic-confinement plasma devices. Waste heat generated from the plasma?s Bremsstrahlung and synchrotron radiation is recycled to maintain the fusion temperature. The charged reaction products, augmented by additional propellant, are exhausted through a magnetic nozzle. A 1 MW DFD is presented in the context of a mission to deploy the James Webb Space Telescope (6200 kg) from GPS orbit to a Sun–Earth L2 halo orbit in 37 days using just 353 kg of propellant and about half a kilogram of ³He. The engine is designed to produce 40 N of thrust with an exhaust velocity of 56.5 km/s and has a specific power of 0.18 kW/kg.     

Non-stationary heat behaviour of liquid propellant rocket engines

The transient behaviour of the liquid propellant rocket engine is accompanied by non-stationary heat processes in the combustion chamber, the cooling jacket, and the injector. Based on the analysis of the phenomena, which take place in the liquid propellant rocket engine after cut-off command, the major stages of the curve of the rocket thrust drop were defined. A mathematical model of heat processes is suggested, which includes the calculation of transient heat transfer in the chamber, and the detection of boiling-up of the liquid fuel components in the cooling jacket and in the injector. The determination of the law of the rocket thrust drop and a calculation of the after-effect impulse (AEI) are presented. The calculated transient heat flux the combustion chamber and the transient wall temperatures were compared with experimental data, which were received during starting, and with the impulsive behaviour of the liquid propellant rocket engine.     

C/SiC复合材料推力室应用研究

C/SiC复合材料密度低、耐高温、抗氧化、抗烧蚀,并且具有非常好的高温力学性能,是制备高性能液体火箭发动机推力室的理想材料.本文从C/SiC复合材料燃烧室结构计算、无损探伤及C/SiC与金属连接等方面,论述了上海空间研究所在C/SiC复合材料应用于液体火箭发动机推力室方面的基础研究及应用进展.     

一种基于推进剂消耗优化的卫星小推力器布局设计

针对小推力器安装角度对卫星南北位置保持、东西位置保持和姿态控制效率的影响,从而决定推进剂需求量,提出一种推进剂消耗过程耦合建模与求解方法,并建立了小推力器安装角度优化模型。该方法采用定点迭代对转移轨道阶段推进剂消耗量和静止轨道阶段推进剂消耗量与贮箱尺寸之间耦合过程进行解耦,并建立了不同阶段推进剂消耗量估算模型。以卫星寿命期推进剂需求量最少为优化目标,建立了小推力器布局优化模型。通过实际的小推力器布局设计实例,分别采用遗传算法和序列径向基函数代理模型（SRBF）优化策略进行优化。优化结果表明相比于基于经验设计,SRBF可以有效地降低推进剂需求量,而且对比遗传算法,优化效率得到了显著提高。