微型热机、烯气涡轮、火箭发动机--美国麻省理工学院(MIT) 微型发动机研究计划

介绍了MIT以MEMS系统为基础正在研制的燃气涡轮机、涡轮发生器和火箭发动机的进展情况.由于采用半导体工艺技术批量生产,所以这些发动机以常规、全尺寸发动机能量密度相同的微型高速旋转机械为基础.微型燃气涡轮设计为在10g/h H2燃料消耗的情况下可产生10～20W电能或0.05～0.1N推力、直径为1cm、厚度为3mm的SiC热机.后来研制的采用烃燃料的热机可产生100W电能.相同尺寸的液体双组元火箭发动机可产生大于13.3N的推力,火箭发动机与涡轮泵和控制阀集成在同一芯片上.由分析和试验可知,该微型热机是可行的,这些装置创立了推进技术、流体控制和袖珍能量发生器的新概念.     

高压补燃液体火箭发动机的研制概况

液体火箭发动机的主要性能指标是比推力。在发动机设计中,要使比推力有较大的增加,主要靠提高燃烧室压力,但对于常规的开式燃气发生器循环系统的发动机来说,提高室压会受到驱动涡轮泵装置的限制。推力吨位在11～166吨的这类发动机,当燃烧     

高性能的俄罗斯液氧/煤油发动机NK-33

NK—33液氧/煤油火箭发动机是由萨莫拉国家科研生产联合体——“TRUD”为俄罗斯N—1登月火箭研制生产的。这种四级型的 N—1火箭所使用的发动机均为液氧/煤油火箭发动机,其中30台 NK—33发动机用于第一级,8台与 NK—33发动机类似而面积比更大的 NK—43发动机用于第二级,四台 NK—39发动机用于第三级,一台除带有常平座外类似于 NK—39发动机的 NK—31发动机用于第四级。所有上述的液氧/煤油发动机都是六十年代研制的,均采用一个富氧预燃室产生涡轮燃气,气氧与热煤油经过分级燃烧喷注器在8.964～15.169MPa 绝压下燃烧。NK—33、NK—43和 NK—39发动机可控制发动机簇的推力,并提供火箭的推力向量控制。由于采用高室压,NK—33发动机的设计实现了较高的性能和很轻的结构重量。富氧预燃室的采用,使得发动机有较高的燃烧效率和燃烧稳定性。在预燃室中,全部的液氧以58:1的混合比燃烧,所产生的628.15K 的富氧燃气全部用来驱动涡轮泵的涡轮,然后进入喷注器和燃烧室。NK—33发动机的结构牢固可靠,可实现很高的泵出口压力和14.480MPa 绝压的高燃烧室压力,因此,其面积比可达27:1,可产生2913.57m/s 的海平面比冲和3274.1m/s 的真空比冲。气氧和热煤油喷注器可保证发动机推力降至23%推力水平时仍能稳定燃烧。各次试车之间,无需使用溶解剂清洗 NK—33发动机的零件,也没有发动机零件的碳化现象,这是由于取消了富燃料气发生器和降低推力室冷却套中的煤油温度的缘故。NK—33发动机在用于飞行计划以前进行了充分的试验,共进行了910多次试车,累积点火时间达211,800秒。研制和鉴定完成后,先后共交付了250台 NK—33发动机,可靠性指标达到0.996。已经证实,NK—33发动机是一种高性能的助推发动机。它结构牢固可靠;所采用的技术,到目前为止,未见于美国的发动机。NK—33发动机可凭借低成本和高飞行可靠性改进运载火箭的性能。     

蓝箭航天液氧甲烷发动机研制进展

探讨了国内外商业航天运载火箭及其发动机的发展情况,研究比较了液氧甲烷、液氧煤油和液氧液氢等推进剂组合,提出液氧甲烷是商业航天、未来可重复使用液体火箭发动机的发展方向和最佳选择。分析了液体火箭发动机推力选择的原则,确定了蓝箭航天液氧甲烷发动机的推力为80 t和8 t。比较了燃气发生器循环、补燃循环及膨胀循环等动力循环方式,选择了燃气发生器循环的技术方案。介绍了蓝箭航天两型液氧甲烷发动机的总体方案、性能指标、技术创新点、用途和研制情况。     

燃气自增压混合火箭发动机特性及关键技术分析

针对燃气自增压混合火箭发动机,建立了性能计算模型,对该型发动机的比冲性能及推力调节性能进行了研究,并系统梳理了该型发动机存在的主要关键技术。计算结果表明,燃气混合火箭发动机具有比常规固体火箭发动机更高的比冲性能,其中氧化剂采用N2O时,可同时兼顾高比冲和高体积比冲的优势;相对于传统的固液混合火箭发动机,燃气混合火箭发动机的理论比冲略低,但具有更高的体积比冲;合理选用燃气发生器中推进剂的燃速压力指数,可确保推力调节过程中氧燃比不发生大幅变化。     

俄罗斯氧化剂液膜冷却液体火箭发动机在喷气公司进行了热试车

美国喷气公司成功地进行了推力为400N 的 LTRE400N 液体火箭发动机的热试车工作。该液体火箭发动机的价格仅为西方国家生产的同等推力液体火箭发动机价格的10%。LTRE400N 液体火箭发动机是俄罗斯研制的,且其燃烧室采用氧化剂(N_2O_4)进行液膜冷却。这种方法在西方国家的液体火箭发动机上未使用过,他们只是用燃料来冷却燃     

未来欧洲运载火箭所使用的HM60低温火箭发动机

为了提高阿里安运载火箭系列的性能,降低在低地球轨道和一般地球轨道上的成本一有效载荷比,1981年至1982年欧洲对此进行了比较研究.研究结果表明,需要一种真空推力为900千牛顿,名为HM60的新型液氢液氧火箭发动机.另外还对发动机进行了比较研究.根据这些研究,同时也为了降低生产成本、减少研制风险,欧洲选择了燃气发生器循环系统.目前,该发动机额定性能指标是:燃烧压力100巴,混合比5:1,比冲445秒.用一个燃气发生器分别驱动两台相互独立的涡轮.     

通用的可贮存上面级发动机AESTUS Ⅱ

Aestus Ⅰ发动机是戴姆勒一奔驰公司和火箭达因公司将要合作研制的泵压式可贮存上面级发动机,它的推力室和涡轮泵(燃气发生器)设计分别参照 Aestus 和XLR-132发动机,因此具有较强的继承性。该发动机性能高、研制成本低、周期短、风险小,适用于多种运载器。本文介绍了有关技术问题和研制计划。     

补燃循环液体火箭发动机大范围工况调节方案研究

结合液氧/煤油补燃循环发动机的结构和工作特点,重点探讨了推力室燃料主路节流、涡轮分流以及变发生器混合比等推力调节方案在发动机上的应用,确定了在发生器燃料路设置流量调节器改变发生器混合比,实现发动机推力在50%～110%范围内调节的方案,分析了推力调节速率对发动机工作过程的影响及主要组件的适应性.     

Vulcain 2发动机研制进展

Vulcain 2发动机将作为阿里安5改进型运载火箭的动力装置,与现有的阿里安5火箭相比,新阿里安火箭通过提高发动机推力和组元比而使性能更高.新发动机在Vulcain发动机基础上重新设计了氧涡轮泵、燃烧室和喷管扩张段,而其他组件(氢泵、发生器阀、管路和供应系统等)仅作了适应性改进.本文介绍了发动机的试车情况、研制成果以及研制进展情况.     

液氧/煤油发动机涡轮吹风用燃气发生器研制

简要介绍了用于液氧/煤油发动机涡轮吹风试验系统的燃气发生器的研制,通过对该燃气发生器的工作原理、参数等的分析、计算,确定了该燃气发生器的结构,进行了喷嘴流量、雾化试验和发生器的热调试,满足了试验系统的最大流量要求,为液氧/煤油发动机涡轮泵的研制提供了保障,表明该燃气发生器的研制是成功的.     

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。     

固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的气动热力循环分析(英文)

建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计状态数值模型,提出了基于压气机增压比、涡轮前温度和涡轮落压比关系的燃烧室燃气与空气配比表达式,以及涡轮落压比和发动机涵道比的匹配关系.定量分析了压气机增压比、涡轮进口燃气总温、涵道比/涡轮落压比和飞行马赫数对固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的单位推力和比冲的影响.     

可重复使用火箭发动机涡轮泵的关键技术

近来,有关空间运输与研究可重复使用火箭各种需求的增加,世界各国正致力于降低费用与提高可靠性的工作。在美国,研制可重复使用火箭“冒险号”以替代航天飞机,其二分之一缩尺模型“X-33”计划1999年进行第一次飞行。在日本,计划研制可重复使用火箭(RLV)的主要依据是建立在 H-2A 火箭技术之上,在研制空天飞机型 RLV 前,先研制 HOPE-X。计划研制的可重复使用火箭发动机是采用液氢/液氧、推力980.665～1961.33kN,并具有调节能力的发动机。发动机(包括液氢/液氧涡轮泵)的其他要求是工作寿命长,可靠性高。本文就可重复使用涡轮泵提出了一些关键技术。     

微型推进系统技术方案研究

将微机电系统(MEMS)技术应用于微推进系统可以降低成本，减少风险，并可满足微型航天器对性能、体积和质量等的特殊要求。本文针对微电热推力器(FMMR)和微型双组元液体火箭发动机的技术方案进行研究，采用直接蒙特卡罗(DSMC)方法，对影响FMMR工作特性的因素进行了研究，并对其进行了性能评估；应用商用FLUANT软件，计算并分析了二维喷管流场的附面层情况；对无毒液体推进剂进行点火试验选择。研究结果表明，对于FMMR当采用H2O作为推进剂工质，比冲为68．247s，推力为0．225mN，效率为52．6％。通过采取其它措施可以进一步提高比冲、推力和效率。对于微型双组元液体火箭发动机，采用醇类作燃料时，起动平稳、响应时间短。通过系统集成和一体化设计，微推进系统在未来微型航天器上具有广阔的应用前景。     

微型固体火箭发动机推力测量

通过对推力剂测量系统的分析，并根据微型固体火箭发动机的特点，采用减轻试验系统活动部份的质量，并对传感器施加预紧力，增强试验系统的刚性等技术措施，在微型固体火箭发动机的推力测量中有效地抑制了二阶振荡，文中还对传感器加预紧力的几个问题作了介绍。     

RBCC发动机火箭及火箭冲压模态热力循环分析

为了研究RBCC发动机火箭模态及火箭冲压模态的工作特性,基于发动机地面自由射流试验结果,利用一维气动理论构建了发动机火箭及火箭冲压模态的性能分析模型,对发动机6 Ma来流条件的试验数据进行了处理,获得了发动机轴向的沿程气流参数,分析了发动机的热力循环、工作效率、有效能分布以及部件和排气中的有效能分配比例。结果表明：一维计算得到的推力与试验结果误差在5%以内;火箭冲压模态下火箭燃气的引入可以有效提升发动机的热循环效率(约提升20%),火箭燃气的引入对有效能产生率和有效能的分配比例影响不大,火箭冲压和冲压模态的有效能产生率分别为0.45和0.48;火箭模态推力增益产生的主要原因是火箭燃气的能量添加至冲压流道中,形成了有效的热力循环,产生了机械能增量,最终表现出推力增益,约为29%。     

登月舱用深度变推下降级发动机系统方案研究

在我国的载人登月技术方案中,为实现软着陆,登月舱需要一种大推力、高性能、多次起动,能够大范围变推力的泵压式发动机.通过研究国外登月用下降级发动机技术发展现状和趋势,基于我国氢氧发动机和低温推进剂空间贮存水平,进行了深度变推发动机的系统方案研究;通过分析比对燃气发生器循环和膨胀循环系统优缺点,确定发动机系统方案为涡轮串联闭式膨胀循环;采用空间可长时间贮存的液氧/甲烷推进剂组合,可满足任务周期要求;根据推力深度调节时对各组合件性能要求,确定喷注器燃烧稳定技术和燃烧室身部传热技术是深度变推发动机研制的核心关键技术.     

固体火箭冲压发动机一体化CAD系统设计

针对固体火箭冲压发动机的特点，研制了固体火箭冲压发动机CAD软件，该软件系统包括了燃气发生器设计、助推补燃室设计、进气道设计、发动机性能计算和飞行弹道的计算。使用该系统可进行固体火箭冲压发动机总体方案论证，预估发动机的主要结构尺寸和发动机的整体性能。本文以一假想的空－空弹用固冲发动机方案设计为例，介绍固冲发动机设计步骤和软件系统的特点。     

固体火箭冲压发动机燃气流量调节的负调现象

研究了可变流量固体火箭冲压发动机所存在的燃气流量负调现象,分析了负调现象产生的机理是由于燃气发生器压强的变化过程滞后于喷嘴面积的变化过程。基于燃气发生器动态工作模型,以某型固体火箭冲压发动机为例,通过仿真分析研究了燃气发生器空腔容积和燃气阀门调节速度对负调过程的影响:当燃气发生器空腔长度为0.1 m、阀门调节时间分别为0 s和2 s时,对应的燃气负调量为82.6%和1.7%、响应时间为0.21 s和1.76 s;当燃气发生器空腔长度为0.8m、阀门调节时间分别为0 s和2 s时,对应的燃气负调量为82.6%和11.4%、响应时间为1.69 s和2.85 s。基于上述分析结果,还提出了减小固体火箭冲压发动机燃气流量负调程度的措施。