小推力长时间工作固体火箭发动机初步试验研究

为了实现小推力固体火箭发动机的长时间工作,对4种采用复合推进剂端燃药柱的发动机进行设计和试车.工作时间分别达到75、105、145、235 s.试验结果表明,该发动机设计方案合理,采用这种C/C喉衬的复合结构喷管实现长时间工作是完全可行的.其中,75 S发动机的地面比冲为2 217 N·s/kg;145 s发动机的地面比冲为2 236 N·a/kg;235 s发动机的地面比冲为2 147 N·s/kg,性能测试结果基本满足发动机总体指标要求.此外,在试验过程中,还获得了C/C喉衬的烧蚀和绝热层的烧蚀炭化规律,为后续开展长时间工作固体火箭发动机研究提供了重要参考.     

推进剂温度对比冲的影响

本文研究了预示推进剂温度对比冲(I_(s))影响的改进方法。对现有的仅仅考虑热容的方法进行了评价,发现它是不完善的。研究了两种新方法,它们是:a)修正热容法,b)理论上处理生成热和压力影响的方法。两种方法均使用赫克利斯公司改进后的暂定固体性能程序(SPP—HI),作为基本分析方法来预示比冲。为了建立新的方法,在研究工作中使用了几种不同尺寸的全尺寸发动机的点火试验数据。研究结果表明,推进剂温度对比冲的影响不大,比冲的变化随推进剂生成热的变化比随发动机平均压力的变化更为敏感。     

地面与飞行状态下固体发动机比冲差异性分析

对固体发动机性能天地差异性产生的原因进行了探究。造成发动机性能天地差异的主要原因在于存在从发动机能量转换到飞行状态下导弹能量的转换效率,其转换效率与导弹的质量比以及导弹飞行速度与发动机等效喷气速度的比值有关;同时,还存在合成视加速度方向与发动机推力方向的偏差以及导弹质量变化等因素对比冲辨识结果的影响。根据现有公开文献报道及相关型号的分析,这些因素造成比冲的差异基本在1 s左右,且在1.5 s以内。分析结果表明,在工程上采用基于视加速度模型和基于遥测压强的发动机内弹道模型均可辨识发动机的比冲,但采用视加速度分析方法进行性能辨识时,需考虑转化效率的修正。     

气氧/煤油发动机电点火技术研究

根据姿控发动机小结构、多脉冲、快响应的工作特点,研制了国内创新的150 N姿控发动机电脉冲点火技术,为无毒、无污染、高性能、低成本的气氧/煤油非自燃推进剂发动机奠定了基础。给出了航天电脉冲点火器的参数、设计方案和工作原理。地面和模拟真空环境热试车结果表明,气氧/煤油发动机采用电脉冲点火技术方案可行,地面及高空环境中均能可靠点火。150 N气氧/煤油发动机真空比冲可达2 800 N.s/kg,脉冲工作次数大于3 000次,并有较强的脉冲工作潜力。电磁兼容性试验显示,电脉冲点火发动机与箭上控制系统具有较好的电磁兼容性。     

固体燃料空气涡轮火箭发动机工作模式

根据SP-ATR目前存在的燃气难以兼顾清洁和富燃的问题,文章提出将原本由1股燃气单独承担驱动涡轮和补燃功能的工作模式分解为由2股燃气分别担负驱涡和补燃功能的工作模式。通过对比分析该工作模式的SP-ATR和固冲发动机、涡喷发动机工作特点,提出了适合该形式SP-ATR的性能计算模型,得到其飞行包线,发现该SP-ATR工作包线宽广,可完全包含涡喷和固冲发动机的工作包线。在此基础上,计算得到了SP-ATR在不同空域和速度条件下的飞行性能及变化规律:(1)随飞行高度和速度的增加,其比冲、比推力增加,但性能随外弹道变化幅度较小,整个工作范围性能稳定;(2)在近地面和低空SP-ATR均可实现低空亚音速盘旋和5 km高度以上的超音速飞行,且在比冲高于6 700 N.s/kg,同时保持比推力大于1 100 N.s/kg;(3)高空SP-ATR工作高度速度范围宽,比冲性能与冲压发动机相当,比推力为冲压发动机的2倍,相同飞行速度条件下飞行高度增加比冲增加、比推力增加,具有在更高高度巡航潜力,高空性能优势明显。     

3000 N液氧/液甲烷发动机方案与试验研究

液氧/液甲烷以其高性能、无毒、易于轨姿控一体化、行星表面资源原位利用等优势已成为国际化学空间推进的主流发展方向之一,对国内外低温液氧甲烷化学空间推进发展和3 000 N液氧甲烷发动机的方案设计和试验研究进行了介绍。方案主要包括总体结构方案,喷注方案、冷却方案、点火方案和燃烧稳定性分析。3 000 N发动机于2017年3月进行了点火热试车,发动机点火全部取得成功,并进行了5 s和10 s稳态试验。燃烧效率约0. 95,推算推力大于2 860 N,地面比冲大于242 s,与设计指标基本相当。     

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。     

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。     

运载火箭气氧/煤油姿控发动机技术研究

为实现空间推进系统的无毒、无污染、低成本、高性能和高可靠性,在国内首次研制了运载火箭辅助动力系统气氧/煤油发动机。以推力150 N的气氧/煤油发动机为研究对象,给出了点火、喷注器及身部冷却、阀门等的设计方案。介绍了研制中突破的小姿控发动机电脉冲点火器、气/液组合的有效混合、发动机稳态工作时的烧蚀,以及高空真空点火等关键技术。计算了气液两相流稳态燃烧流场并进行了氧化剂路气流试验。地面热试车和高空模拟热试车的结果表明,电脉冲点火器可实现发动机的可靠点火,采用同轴离心式内混合喷注、铌合金液膜辐射冷却方案的该气氧/煤油发动机真空比冲可达2 800 N.s/kg,脉冲工作大于3 000次,但真空中发动机的冷却仍需进一步研究。     

一次近月制动的误差分析与安全关机策略

实施有效的近月制动进入目标环月轨道是实现月球环绕、安全软着陆等任务的前提。文章基于一次近月制动,对点火过程中的主要误差要素影响进行了分析,包括开机与关机方式、点火姿态、有限推力制动方式的影响,其中点火姿态偏差是最大的误差影响。并分析了一次近月制动条件下,由于推力偏差和制动推质比较大,速度增量关机失效时自主时间关机和地面支持关机存在的轨道安全性问题。针对此问题,按近月制动前后的不同阶段设计了3种安全关机策略,包括相关的发动机标定、轨控实时监视干预以及应急提升近月点。最后介绍了安全关机策略在嫦娥三号任务中的应用情况。     

一种基于扩展卡尔曼滤波和最小均方准则的无控制点InSAR基线估计方法

基线误差是影响干涉合成孔径雷达（InSAR）测量高精度的主要误差源之一。因此,在进行数字高程图（DEM）高程反演的过程中,需要进行高精度的基线估计来提高DEM数据的精度。文章详细推导了InSAR系统的各项误差与测高精度的关系,得到了误差传播公式;然后提出了一种在扩展Kalman滤波的基础上,使用LMS最小均方误差准则的无控制点基线估计方法。该方法解决了在地面控制点获取困难的条件下,飞行平台与地面之间的相对高度未知的问题。最后,通过仿真实验验证了该方法的有效性：在相位误差、斜距误差、基线长度误差和倾角误差共同作用下,基线定标精度可达到0.1mm,满足0.5m相对高程精度对于基线估计的要求。     

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。     

壮志末酬：俄“福布斯-土壤”任务回顾

2011年11月9日,“福布斯－土壤”（Phobos—soil）探测器由俄罗斯“天顶”运载火箭在拜科努尔发射场点火升空。然而,就在人们还未来得及开始期待的时候,俄航天局在晚些时候突然宣布,“福布斯－土壤”探测器在飞行过程中出现意外,探测器的主发动机未能按设计方案自动实施点火启动,因而未能按计划实现变轨。此后,俄地面测控站数次发出联络信号,但一直未能恢复联系。这次国际性的任务顿时笼罩上了一层阴霾。     

6.5马赫超燃冲压发动机的近期飞行试验结果

根据与NASA签订的协议,CIAM和NASA在CIAM的高超声速飞行实验室“Kholod“上联合进行了第四次双模式超燃冲压发动机飞行试验.此次试验旨在进行6.5马赫飞行,并在哈萨克斯坦中部Sary Shagan试验场成功完成.此次地面发射的火箭是一枚改进型俄罗斯SA5型导弹,该重新设计的超燃冲压发动机加速后达到高于6.4马赫的一个新的最高飞行速度.此次发射是在真实飞行条件下的完超燃模式下进行的,这项计划的主要目的是获取飞行与地面测量数据间的相互关系,分析和风洞试验在俄罗斯或(也可能在)在美国做.本文阐述了该计划的方案设计及其目的,以及为了达到6.5马赫目标试验条件而采用的超燃冲压发动机和SA5型导弹重新设计的技术细节.概述了此次发射的操作过程.最后,对初步飞行试验结果做了介绍和讨论.     

一种低轨遥感卫星自主轨道控制方法

针对低轨遥感卫星轨道控制操作繁琐、执行效率较低、影响载荷任务编排等缺点,提出一种无需地面站支持的自主轨道控制方法。利用在轨实时计算得到的轨道偏差作为触发条件,在偏差超出阈值时,卫星根据轨道外推结果、剩余燃料质量、发动机推力等参数自主计算轨控时间,并在不与载荷任务冲突的前提下,实施发动机点火,实现卫星轨道误差的在轨自主补偿。经高分七号卫星(GF-7)验证,能够有效降低卫星的地面运控成本,大幅提升卫星的自主管理、自主运行能力,可为我国后续低轨遥感卫星设计提供参考。     

固体火箭尾舱热环境研究

对固体火箭尾舱热环境的组成成分进行了分析,利用理论和数值仿真方法,给出固体火箭沿真实飞行轨道条件下的热环境预示结果,并与地面试验及飞行试验测量结果进行对比。结果表明,固体火箭尾舱热环境存在天地差异,在地面发动机试车状态时,尾舱热环境以喷流辐射热流为主;真实飞行状态时,在发动机喷流和高速来流的相互作用下,火箭尾舱还存在量值更大的对流热流。针对固体火箭尾舱对流热环境提出的线性化热学参数单一介质数值模拟方法可用于固体火箭尾舱热环境设计。     

大型固体推进剂火箭发动机在三轴稳定爬高时产生的非轴向推力特征

固体火箭发动机在三轴稳定姿态控制时所产生的非轴向推力已根据 BurnerⅡ、BurnerⅡA 和 Block 5D—1共23发运载火箭顶级的爬高经验数据确定。从25发代表4种不同设计的发动机(三种球形发动机,一种加长的球形发动机)的三轴稳定点火试验中获得了基本数据。附录以表格形式给出了随固体火箭发动机工作时间变化的合成侧向力、横向侧向力的大小、方向、总冲以及滚动力矩的大小、方向和总冲。正文中绘出了各组数据均值和3σ偏差的曲线图。对现有的可用的地面试验的侧向力、滚动力矩大小和总冲等数据进行了鉴定,并与上述的经验数据进行了比较。在全部球形发动机范围内,选用了阿诺德工程发展中心(AEDC)的地面试验数据,其侧向力、滚动力矩和总冲均小于上面所估计的经验数据。在加长的球形发动机范围内,选定的 AEDC 地面试验数据表明,鉴于试验和经验两组数据均只有极小批量,所选定的 AEDC 的侧向力、滚动力矩和总冲的实验数据与发动机的经验数据非常吻合。     

星载干涉成像高度计双频基线定标方法

在星载干涉成像高度计基线参数标定过程中,由于时间、传输路径的观测差异导致基线参数标定精度下降。为此,文章提出双频基线定标方法,基于双频同基线重叠观测区域数据实现基线状态标定性能的提升,有效降低干涉基线状态漂移造成的海面高程反演误差。在精确获取重叠区域海面高度条件下,利用在轨高精度基线测量和卫星姿态测量信息,联合高精度基线估计处理算法进行基线估计,将基线估计偏差的均方根降低至原来的1/4～1/5,可实现亚毫米、亚角秒的高精度基线估计精度,从而保证海面高度测量精度,为后续干涉成像高度计在轨定标方案的设计与基线高精度标定提供参考。     

胶体燃料的燃烧特性研究

现在高性能可长期贮存的火箭发动机燃料和推进剂的研究方向是开发能使用胶体燃料和胶体推进剂的燃烧系统。这种观点的产生是由于在液体燃料中加入胶状添加剂和(或)金属添加剂能显著提高液体推进剂的性能、密度和比冲。掌握胶体燃料单个液滴的蒸发和燃烧过程是预测未来推力室燃烧性能的第一个基本步骤。研究胶体燃料雾滴蒸发燃烧时应用了先进的计算机辅助摄像系统。测量了雾滴的燃烧速率,并精确观测研究了燃烧过程。对室压和氧化剂质量百分比浓度对雾滴燃烧速率的影响进行了量化研究.结果表明肢体燃料比液体燃料燃烧速率慢,而且点火更加困难。     

针对可重复使用和重复起动应用而对俄罗斯NK—33火箭发动机进行的改进和验证试验

Aerojet 公司得到俄罗斯登月计划使用的已经飞行验证的液体火箭发动机后,用现代仪器和控制把它改进成可重复使用和重复起动发动机,并用热试车验证了这些改进项目。NK—33液氧/煤油发动机是 Samara 州科学和生产企业“TRUD”(现称为N.D.Kuznetsov Samara 科学技术公司)为苏维埃 N—1运载器设计制造的。该补燃发动机产生的高压(14.54MPa 的室压)和高性能(真空比冲为3246m/s)是西方的烃类发动机从来也没有实现过的。Aerojet 公司引进了36台 NK—33发动机、9台 NK—43发动机(N.D.Kuznetsov SSTC 同一发动机在上面级的翻版)。NK—33发动机改进后将首先用于 Kistler K—1运载器。改进项目有:用电磁阎替换火药起动阀;替换推力和混合比控制用的机电起动阀;重新设计吹除供给系统;更换涡轮泵起旋和主燃烧室点火器的固体推进剂;为增加万向节和推力矢量控制架而重新设计更换机架。增加阀、火药起动器和管路以重新起动发动机,更换设备和电缆束。Aerojet 对该发动机进行了成功的热试车,以验证新部件和结构,并开始研究可重复使用 Kistler 运载器上的发动机耐用性。本文描述了对原始俄罗斯发动机的改进项目,报道了至今为止的试验结果。