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。     

鲁泊数和孔径比对直流互击式喷注器性能的影响

设计高性能喷注器、提高发动机比冲性能是发动机设计者一直追求的目标。对于直流互击式喷注器,鲁泊数和孔径比是影响喷注器性能的两个关键参数,而且两者之间有一定关联。为了初步研究鲁泊数和孔径比参数对直流互击式喷注器性能的影响,合理匹配两者的关系,设计了三种状态的喷注器,进行了混合比分布试验和热试车考核。结果表明,兼顾鲁泊数和孔径比才能使氧化剂和燃料达到最佳混合效果,提高燃烧效率。     

燃气喷注条件对中心支板式固体冲压发动机燃烧性能影响研究

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超声速空气流的燃烧室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。提出了一种基于中心支板燃气喷注的含硼固体火箭超燃冲压发动机方案,开展了模拟马赫数6.0、高度25 km来流条件下的地面直连试验和数值仿真研究,验证了该方案的合理性和优势,并获取了燃烧室内的燃烧特性,探寻了固体燃气喷注方式对燃烧室性能的影响规律。结果显示,相比于中心支板喷注方案,侧壁喷注存在总压损失大、反压激波串长度大、进气要求严苛等问题,但能够增强掺混,提高燃烧效率,缩短燃烧所需距离;而在中心支板式固体冲压发动机中,在燃烧室侧壁面引入较小流量的一次燃气,可以增大固体颗粒在燃烧室内的穿透深度,提高燃烧效率和燃烧室性能。     

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。     

基于DMSJ发动机流道的RBCC发动机设计

首先完成了一种典型DMSJ发动机流道型面和燃烧组织设计,该发动机在M_∞=4.0和6.0时的比冲分别为1 029.6 s和899.9 s。以此DMSJ发动机流道为基础,在隔离段一侧布置火箭发动机,形成RBCC发动机流道。数值模拟研究表明,低马赫数时,火箭台阶及下游流道型面变化对发动机性能影响有限;保持DMSJ发动机燃料喷注方案不变,RBCC发动机在M_∞=4.0时,冲压模态比冲可达到1 052.8 s。高马赫数时,由于燃烧组织位置靠前,必须对DMSJ发动机原有的燃料喷注方案进行调整,才能确保RBCC发动机达到与前者相当的比冲水平,经过调整本文RBCC发动机M_∞=6.0时冲压比冲达到了887.8 s。因此,基于目前较成熟的DMSJ发动机进行高马赫数RBCC发动机设计,是一条快速可行的技术途径。     

环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器研究

对环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器进行了理论分析和数值仿真计算。介绍了环槽式过氧化氢/煤油气液喷注器热试车情况,试验燃烧室压力1～2 MPa,混合比7～9,获得了燃烧效率、点火性能、燃烧稳定性、喷嘴特性及混合比等重要参数。     

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。     

比冲损失的分析和实验测定(综述)

发动机实际比冲的预计,是一个急待解决的问题。对比冲效率影响最大的因素来自两个方面。一方面来自推进剂;其中铝粉的燃烧效率,以及燃烧生成的Al_2O_3粒子对比冲有很大影响。另一方面来自喷管结构,其几何形状及壁面附面层状态也对比冲有很大影响。美国Hercules 公司和Thiokol 公司拟制了一套比冲损失的分析计算方法,考虑了除铝粉燃烧效率以外的几项主要损失。其中尤以两相流的损失和扩散损失为最大。对于推进剂含铝量在18～19%以下,工作压力不太低、燃气停留时间在20毫秒以上的发动机,这一方法是适用的。理论比冲预计值与实测值相差约为0.6%对于含铝量较大的推进剂或燃气停留时间较短的发动机,铝粉燃烧效率可能成为影响比冲效率的重要因素。对于多级火箭的顶级发动机往往需要考虑这一问题。但是目前关于铝粉在发动机流场中燃烧的规律性还认识不足,理论研究工作还不能提供有力的设计准则,需要做进一步的工作。本文综合介绍了有关的几篇国外资料,供有关人员参考。     

低推力化学火箭发动机技术

本文回顾了旨在改进星船上推进系统应用的低推力化学火箭发动机的性能而正在进行的研究计划。通过建立燃烧和流动物理过程的新的预估方法;采用高温材料;改进部件设计优化性能;利用高性能推进剂等项措施.提高低推力化学火箭发动机的性能和工作寿命。改进的预估方法是通过局部和全局的预估值与试验数据的比较得到的。预估值是从有限反应速率动力学的 RPLUS Navier-Stokes 的计算机程序和联合军队、宇航局的方法中得出的。数据是从激光珍断系统和发动机试车实测性能得到的。结果表明,喷注器和燃烧过程的模型需要改进,流动显影技术,例如二维激光—感应莹光(LIF)显影技术对解决流动对称和剪切层的燃烧过程有所帮助。高温材料的制造工艺还在探索中,利用这些材料的小发动机正在进行设计、生产和试验工作。防氧化的铼涂铱保护层用化学气桕沉积工艺制成,从而使燃烧室工作温度升高800K。在地球可贮存推进剂(四氧化二氮和-甲基肼或无水肼)的发动机上,取消液膜冷却,改善燃烧效率.并控制喷注器的热沉温度,通过组合件的重新没计。获得了性能增益。铼铱两种材料互相扩散情况和抗氧化特性表明,推力室要求的几十小时的使用寿命是可以达到的。推力为22、62、440和559N 的火箭发动机已经设计、生产和试验了。试验证明,比冲性能提高了98～196N·S/kg。更高性能的推进剂通过了鉴定。这些推进剂(定义为空间可贮存推进剂),包括作为氧化剂的液氧,作为燃料的氮氢化合物或碳氢化合物。为此,专门设计和生产了液氧/肼发动机,其特征速度效率高达95%,面积比204:1时换算的真空比冲为3381N·S/kg。利用液氧/液氢推进剂,尤其在载人飞船上,其比冲性能可以得到进一步的提高,然而,某些特殊的设计必须改进,并通过飞行考核进一步完善。     

钛合金喷注器扩散钎焊失效分析与改进研究

某次试车中发动机喷注器出现扩散钎焊失效故障,根据失效焊缝的扫描电镜断口观察、X射线光电子能谱和金相分析结果对喷注器焊接结构、工艺参数等进行了改进研究。仿真、试件试验和热试车结果表明,改进后喷注器扩散钎焊强度和一致性明显提高。     

高比冲双组元液体远地点火箭发动机研究

综述了国内外研制的双组元液体远地点火箭发动机的性能、特点和发展趋势。在分析了液体远地点发动机提高比冲的各种技术途径后，提出可通过改进喷注器设计、减少边区液膜冷却流量、采用扰流环二次燃烧和使用新型耐更高温材料等措施，以提高远地点发动机的比冲。     

10kN双向摇摆再生冷却发动机技术研究

介绍了10kN双向摇摆发动机的主要技术方案和关键技术．对涂层和边区余氧系数等影响因素进行了传热计算及分析,获得了再生冷却身部的气壁温、液壁温和热流密度的轴向分布曲线,指出了发动机身部可靠冷却的边界工况。针对两种推进剂（N2O4／MMH、N2O4／UDMH）,设计了喷注压降和流量不同的两种喷注器方案,地面热试车表明,两种喷注器方案燃烧稳定,其燃烧效率相当,可达95％～96％。发动机多次地面试验研究验证了发动机设计方案的可行性。     

大推力氢氧发动机高模试验补氧燃烧过程仿真

为了研究液体火箭发动机试验富燃燃气安全处理方法,确保发动机试验过程的安全,通过对未来大推力氢氧发动机高模试验关键参数设计,确定富氢燃气补氧燃烧方案,并在此基础上建立大推力氢氧发动机高模试验富氢燃气补氧燃烧仿真模型,对补氧燃烧过程进行仿真研究,研究补氧流量和液氧喷注角度对燃烧过程及高模系统的影响,以验证补氧燃烧方案的可行性。仿真结果表明补氧补燃方案可以安全处理发动机燃气中的富氢,保证高模试验安全。并且补氧量越大,燃烧长度越小,热防护难度增加;补氧喷注角度增加对氢燃尽长度影响不大,但使设备热防护难度增大。     

针栓式液氧/煤油发动机燃烧数值仿真

为了研究低温非自燃推进剂应用针栓式喷注器的流场分布规律,总结不同动量比对针栓式发动机燃烧流场的影响,采用数值仿真的方法研究针栓式液氧/煤油发动机的燃烧流场分布,仿真模型采用k-ε湍流模型、有限速率-涡耗散燃烧模型等。仿真结果表明:针栓式发动机在燃烧室内形成两个回流区,有利于燃烧室头部冷却;针栓式喷注器能够在燃烧室壁面形成液膜,提高了燃烧室壁面的热防护;随着动量比增加,燃烧高温区向燃烧室壁面靠近;动量比为1时,针栓式喷注器具有最佳的燃烧效率。     

星用第三代铼/铱材料490 N发动机研制进展

提高轨控发动机的真空比冲可以有效减少卫星变轨推进剂的消耗量,从而延长卫星的在轨工作寿命或增加有效载荷质量。介绍了我国在研的卫星用第三代铼/铱材料490 N发动机设计方案、技术攻关和试验情况,对工程化应用存在的问题进行了分析,并提出了改进和优化方案。在第二代490 N发动机的设计基础上,第三代490 N发动机成功攻克了可靠传热稳定工作喷注器、高性能喷注器与燃烧室匹配以及新型高温抗氧化材料制备等关键技术,真空比冲提高了10 s,达到325 s。两台发动机均通过了25 000 s鉴定级高空模拟热试车寿命考核,性能指标达到国际先进水平。但是针对试车子样数较少和铼/铱燃烧室制备工艺困难的问题,仍需进一步开展铼基体和铱涂层的高温性能研究,并继续优化发动机设计。     

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.     

燃油分配对超燃冲压发动机的性能影响仿真分析

针对超燃冲压发动机两级燃油分配对内流道流动过程、燃烧模态、发动机性能及调节特性的影响问题,建立了发动机一维流动分析模型;对马赫数6/当量比1,马赫数6/当量比0.6,马赫数4/当量比1三种工况不同的一级/二级燃烧室燃油分配比例下的流动过程进行了仿真,并获得了不同燃油分配规律下的发动机性能.通过分析表明：超燃冲压发动机的两级燃油分配比例直接影响发动机内流道内的流动参数分布、燃烧模态及发动机比冲等性能参数.对于马赫数6/当量比1工况,当一级燃烧室的燃油分配比例为30％～70％时,可在全流道内组织纯超声速燃烧,最高比冲超过800 s;对于马赫数6/当量比0.6工况,即使将所有的燃油均在一级燃烧室喷入,流道也不会壅塞,该工况下最大比冲超过800s;对于马赫数4/当量比1工况,燃烧室内组织亚声速燃烧,最大比冲为1 031.9 s;为保证亚声速燃烧扰动不传递到燃烧室入口外,一级燃油分配比例不应过高.     

固体火箭冲压发动机二次燃烧试验研究

针对某工程论证需求,分别采用缩比和全尺寸固体火箭冲压发动机,利用地面直连试验系统,开展了壅塞式固体火箭冲压发动机试验研究,采用燃烧效率和试验比冲作为评价指标,对比分析了燃气发生器进气方式与喷嘴结构、空燃比、燃气流驻留时间、尺寸效应等因素对发动机二次燃烧性能的影响。结果表明,设计的一次进气发动机能够实现高效燃烧;在测试范围内,空燃比增大发动机燃烧效率降低;延长燃气驻留时间,提高了发动机二次燃烧性能。     

新型可贮存推进剂泵压式发动机技术论证

运载载荷清单表明,在2002年至2003年期间,需要性能更高的可贮存上面级。为尽快满足这一新的要求,Dasa于1996年着手一项公司投资的技术论证计划,旨在寻求将Dasa所拥有的技术运用于45～65kN级别的新型可贮存上面级泵压式定动机的方案。对于可贮存双组元同轴式喷注器,Dasa有丰富的研制经验,这种结构的喷注器已被成功地用于97年10月阿里安5的502次飞行,运用这些经验,Dasa已研制了两套分别为65kN/6MPa和46kN/5MPa水平的这种结构的喷注器。这种喷注方案对于泵压式发动机相应工作条件下的可移植性,已经通过地面综合热试车的试验论证。在这种发动机所需的宽的工作范围内,性能和燃烧稳定性方面的可行性已得到了充分验证。通过专门的炸弹试验获取了喷注器综合稳定区域。利于设计达到成本目标的优化的喷注器生产规程已有草案,它实现了高水平的可重复性生产,在热试前这已得到了验证。只要进行适当的结构和功能改进,就可有效增加燃烧效率和减小燃烧粗糙度。按Dasa低成本工艺而组织的再生冷却燃烧室的生产正顺利进行。规划及设计将通过发动机的地面长程热试车鉴定,所使用的是一套适当的试验功能组件。计划在1998年晚些时候的试验将补充完善已做的喷注器可行性试验,并最终论证推力室组件综合性能满足发动机所需的要求。从Dasa的技术论证计划(TDP)中所获得的经验将有力地推进发动机的研制工作并减小技术和进度两方面的风险。     

基于正交试验设计的姿控发动机起动特性

基于AMESim模块化仿真软件,建立了姿控发动机仿真模型,采用正交试验设计方法,分析了推进剂黏度、集液腔容积、燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间等因素对姿控发动机起动响应特性的影响。结果表明:起动响应特性指标主要影响因素为燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间,且对阀门间隔时间敏感性最高。室压超调量对推进剂黏性敏感性最低,响应时间对喷注压降敏感性最低。燃烧时滞越大,喷注压降越小,阀门间隔时间越大,发动机响应性能越差。优化喷嘴雾化性能以缩短燃烧时滞,适当提高喷注压降都有助于缩短姿控发动机响应时间。阀门作动时间则尽量保持一致,以缩短起动响应时间。