液体火箭发动机推力室极限承载能力研究

基于MSC Patran／Marc软件的循环对称分析功能和材料、几何双重非线性分析功能,对液体火箭发动机推力室进行了计算分析,得到其极限承载能力,并给出了结构的极限承载能力曲线。     

未来运载器液体火箭发动机推力室技术研究

Astrium的航天基础技术分部(SI)正在研究下一代部分可重复使用和可重复使用液体火箭发动机的相关技术.本文总结了对以下主推力室组件所进行的技术研究工作喷注器、主燃烧室、喷管延伸段.对于高性能分级燃烧循环发动机,先进喷注器的研究重点是气态推进剂的喷注.已经为Astrium的燃烧室设计了能够喷注液氧、冷却剂氢和预燃室热气体的喷注器.另一项工作是低成本喷注器方案研究,使单喷嘴的质量流量为标准喷嘴的四倍.对于主燃烧室,可以预见的可用技术是提高可重复使用推进系统中推力室的寿命.本文研究了一种弹性内衬和一种先进热防护壳体.文中给出了这两项技术的缩尺燃烧室试验结果.另一项主要工作是增加先进高性能胀膨循环发动机燃烧室壁的热传导.本文汇总了不同结构的缩尺燃烧室试验结果.对于喷管延伸段,研究重点是陶瓷基复合材料喷管延伸段,最近对缩尺试验件进行了试验,将燃烧室试验压力提高到8MPa.对于未来的高面积比方案(HARC),最近正在设计一种热量测量喷管延伸段,用于测量在满流和分离流状态下的热传导.     

液体火箭发动机推力室总承载能力分析

利用有限元方法对液体火箭发动机推力室的总承载能力进行了计算分析,重点讨论了利用结构循环对称性简化有限元模型的具体方法,并给出了结构的总承载能力计算曲线。     

液体火箭发动机推力室热力参数的数值仿真

用液体火箭发动机推力室工作过程的一组非线性方程，以混合比、燃烧室压力和出口压力三个参数作为正态随机变量，来反映推力室的内外干扰因素的影响，用 Ｍｏｎｔｅｒ－ Ｃａｒｌｏ（ Ｍ － Ｃ）方法对某型号液体火箭发动机推力室干扰因素进行了数值仿真，从而得到了推力室热力和性能参数的经验分布曲线、统计均值及在一定置信度下的置信区间。仿真结果表明，利用 Ｍ － Ｃ 方法对推力室进行数值仿真是完全可行的，所用的非线性模型是足够准确的。     

高压氢氧火箭发动机推力室燃烧稳定性分析

针对高压氢氧火箭发动机推力室不设置隔板喷嘴和声腔的结构方案,利用火焰传递函数+低阶声学模型的解耦预测仿真方法,分析了不同喷注参数和结构参数下燃烧室的燃烧稳定性裕度。采用非定常雷诺平均NS方程(URANS)计算同轴直流喷嘴非稳态燃烧过程以获取火焰传递函数,其中采用Soave Redlich Kwong(SRK)状态方程计算密度等物性参数;考虑到同轴直流喷嘴的火焰长度与声波量级相当,采用分布式火焰结构进行火焰传递函数建模。采用商业软件COMSOL计算加载了火焰传递函数的燃烧室声学模态,使用模态增长率为评定标准,预测燃烧不稳定性。结果表明,给定不同燃气/氧喷注速度比、混合比、相对喷嘴压降、缩进深度比、富氢燃气喷前温度等各工况下,预测得到的燃烧室均未出现燃烧不稳定现象。在推力室设计中通过增加燃气/氧喷注速度比或降低燃烧室混合比,有利于提升燃烧稳定性裕度。所做工作为高压氢氧火箭发动机喷注器设计及燃烧稳定性裕度评估提供参考。     

CBR方法在液体火箭发动机推力室设计中的应用

液体火箭发动机推力室的设计和制造是一项极其复杂的系统工程,其性能参数、结构形式、组织方式、材料等的选择尤其依赖于设计人员丰富的经验和成功研制型号积累的设计知识。为实现对以往设计经验和知识的继承,在推力室的设计中引入了基于案例推理(CBR,case-based reasoning)的方法。基于案例推理的方法作为人工智能领域的一个重要分支,是指将过去对典型问题的求解事例,按一定的组织方式存储起来,积累成案例库,当用户求解某一新问题时,利用该案例库来指导进行求解的一种策略。根据液体火箭发动机推力室的设计内容、设计流程以及设计特点,得出推力室性能参数关系图,并基于案例推理的方法提出了推力室的案例表示方法和案例调整方案,并应用该调整技术实现了具体的案例调整。     

隔热罩对火箭发动机推力室温度场的影响

对某带隔热罩火箭发动机推力室的温度场进行了求解.所得结果与文献[1]的相关实验结果定性吻合.计算结果表明:加隔热罩后,推力室液膜冷却保护区壁温基本不变;气膜保护区壁温有一定幅度的上升,最大温升出现在喷管下游;壁温最高的喉部区域壁温上升幅度较小,仅为壁面平均辐射温度升的1/6～1/5.通过合理设计,可将壁面最高温度的升高幅度控制在10～20℃.     

火箭发动机推力室二维有限差分传热分析程序

本文建立了一个火箭发动机推力室传热分析的二维有限差分计算模型。该模型用连续送代法计算推力室壁内的温度分布,并选择了一个有效的超松驰因子以实现快速收敛。输入参数包括推力室壁的尺寸、推力室壁的材料、燃气和冷却剂的温度和传热系数。程序的输出结果包括各节点的温度、传给冷却剂的热量和从燃气传来的热量。     

液体火箭发动机钎焊、扩散焊质量检测技术研究

现代液体火箭发动机的推力室钎焊身部、发生器钎焊身部及游机推力室钎焊身部均是在高温、高压环境下工作,采用波纹板和铣槽式结构,而这种结构的钎焊和扩散焊的焊接质量直接关系到产品的承压强度及冷却效果。因此,对钎焊和扩散焊的质量检测尤为重要。着重讨论了对波纹板结构和铣槽结构的钎焊、扩散焊质量采用不同无损检测方法进行检测时,方法的可行性和存在的问题,并给出不同方法对产品的可检测性结论。     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

国外复合材料推力室技术研究进展

介绍了国外姿控轨控发动机复合材料推力室研究进展，包括推力室复合材料性能、复合材料推力室成形工艺、复合材料推力室连接技术。与难熔金属推力室相比，它具有密度低、使用温度高、无需冷却等优点，可大幅度减轻发动机结构质量，提高发动机比冲，在国外姿控轨控发动机上得到广泛应用。     

膨胀循环发动机推力室传热优化

针对膨胀循环发动机推力室身部燃气侧的内壁增强换热结构和冷却剂侧的冷却通道结构这两个影响推力室身部换热最关键的结构分别进行多种结构下的数值模拟对比。通过分析各结构的模拟结果,得到了能够合理提高推力室身部换热能力的内壁加肋结构和圆柱段冷却通道深宽比的结构特征。     

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。     

液氧煤油发动机高压推力室冷却技术

针对液氧煤油发动机高室压推力室冷却技术,讨论了多条内冷却环带、人为粗糙度、内壁铣槽结构和隔热镀层等主要技术措施。对带人为粗糙度的平直通道内流动进行了二维和三维时均流数值模拟,分析了人为粗糙度局部强化换热机理。对多条液气膜冷却环带进行了数值模拟,分析了内冷却流量对冷却的影响。研究结果表明,合理设置人为粗糙度和采用冷却环带技术可有效降低推力室局部气壁温,以煤油为冷却剂的高压推力室冷却方案应以再生冷却结合多条液气膜冷却技术为主,综合采取人为粗糙度、高导热材料、隔热镀层等技术措施。     

过氧化氢／煤油发动机推力室气液燃烧数值模拟

采用离散相模拟颗粒随机轨道方法处理两相流动,采用SST后刊湍流模型,利用燃料的单步总反应模型模拟煤油蒸汽燃烧,针对过氧化氢／煤油发动机推力室,进行三维两相燃烧数值模拟。对推力室的总体流场特征及性能进行了初步研究,为开展进一步的数值研究奠定基础。     

液体火箭发动机钎焊焊接结构加工中的一些问题及钎焊时钎焊金属的破坏机理

在发动机的工作过程中其组合件要承受各种作用,力的作用,热的作用,腐蚀介质的作用,而且有些是上述因素的综合作用。在发动机的某些部件上力的作用水平接近于结构材料的疲劳极限并可能达到60MPa。根据力的载荷特点一方面表现为静力载荷,另一方面是动力载荷,第三类是周期性的力载荷。     

某膨胀循环发动机推力室冷却结构流场仿真分析

为了研究某膨胀循环氢氧发动机推力室冷却结构流场分布特性,进行了单根冷却通道和完整冷却通道结构的三维CFD分析。仿真计算过程中,以单根通道模型的仿真结果作为完整通道结构模型流场仿真分析的边界条件之一,并考虑了材料物性参数随温度或压力的变化。分析结果表明:1)仿真预测的温升、压降与热试验实测值吻合,该推力室冷却通道流量相对偏差范围为-4.8%~6.6%,由此造成喉部气壁温的环向偏差为33 K;2)集合器管内流体的环向流动压差、法兰起分流或汇聚作用时拐弯效应形成的压力波动是造成冷却通道流量不均匀分布的主要原因,出口集合器内的压力分布对通道流量分布起主要作用;3)提高通道流量均匀性的措施可以从增大出口集合器管径或采用变管径设计、采用扩口型法兰并设置弧形导流片、集合器的进、出口法兰布置在同一环向位置等方面进行考虑。     

层板发汗冷却在液体火箭发动机中的应用与发展综述

较系统地介绍了应用于液体火箭发动机推力室冷却的层板技术,指出了层板发汗冷却的技术优势。介绍了一内壁全部由层板构成的液体火箭发动机推力室结构及其层板发汗冷却单元的设计和加工工艺问题。总结了国内外关于层板发汗在火箭推力室冷却方面的研究进展,并简要论述了其应用前景。     

600N单组元推力室的研制

600N单组元推力室使用DT-3推进剂,催化床床载率高达6g/cm2·s,头部采用两组环形分布的喷注扩散器并进行了模块化设计,身部采用了隔热装置,推力室具有结构紧凑、工艺简单、重量轻等特点。热试车结果表明,推力室起动迅速、平稳,性能可靠。     

上面级飞行试验用H2O2/JP-8火箭发动机的催化剂床不稳定性

轨道科学公司和美国空军研究实验室所属的军用太空飞机技术规划办公室共同获得了NASA马歇尔空间飞行中心(MSFC)上面级飞行试验(USFE)项目合同.轨道公司正在设计研制一种廉价的新型液体火箭,火箭采用压力供应系统,推力为4,540N(10,000磅),推进剂为H2O2/JP-8.在NASA Stennis太空中心(SSC)进行的上面级飞行试验用燃烧室热试车时,当H2O2流量达到设计流量的1/3时,催化剂床发生了低频不稳定.本文介绍了上面级飞行试验催化剂床、燃烧室及其工作情况;讨论了催化剂床不稳定动力学;还介绍了用计算机动态模型模拟再现催化剂床的不稳定现象的情况.该计算模型建立在SSC试验数据的基础上,旨在探索解决催化剂床发生不稳定问题的可能方法.最后介绍了对催化剂床不稳定问题采取措施后,燃烧室的结构及其稳定工作情况.