25tf膨胀循环氢氧发动机研制进展

25 tf膨胀循环氢氧发动机是针对我国重型运载火箭三级主动力需求研制的液体火箭发动机,也可应用于未来其他航天器的上面级。该发动机采用闭式膨胀循环方式,具备高可靠、高比冲、大范围变推力以及多次点火等能力。发动机已通过推力室挤压热试验、氢涡轮泵介质试验等子系统试验验证了各项关键技术及组合件设计方案,发动机的整机方案实现已不...     

RBCC发动机初步设计CAD系统研究

研究了一种用于火箭基组合循环发动机(RBCC)初步设计与方案分析的CAD系统。分析并解决了发动机几何特征参数提取、性能分析模型、设计计算集成、三维图形造型与显示等关键技术。基于AC IS几何造型内核软件,搭建了火箭基组合循环发动机初步设计的CAD平台,并利用该平台进行了算例分析。结果表明,该CAD平台能有效地进行火箭基组合循环发动机的设计与分析,实现了设计、计算一体化,为此类发动机实验器的设计提供了技术支持。     

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。     

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。     

火箭引射模态下一次火箭流量优化方法研究

对火箭基组合循环(RBCC)发动机火箭引射模态下一次火箭流量优化方法开展了研究,并对飞行条件下一次火箭流量的变化规律进行了分析。提出了采用有效比冲作为优化目标的一次火箭流量单目标优化模型;建立了求解与一次火箭流量相匹配的二次燃料流量的比例控制方法;在考虑发动机性能优化与弹道分析耦合作用的基础上,采用试验设计和遗传算法,建立了火箭引射模态下一次火箭流量优化方法。针对空中载机发射的RBCC发动机,开展了火箭引射模态下一次火箭流量优化,并根据弹道分析结果,给出了飞行条件下一次火箭流量变化规律。结果表明,为了克服飞行过程中声障阻力,一次火箭流量在Ma=1.0附近达到最大,此时对发动机提出较高的推力设计要求;在Ma=1.5附近,来流空气的冲压作用占主导地位,一次火箭流量出现较大程度的节流,此时对发动机提出较高的比冲设计要求;超过Ma=1.5后,一次火箭以较小的流量状态维持稳定工作;火箭引射模态下一次火箭流量调节比达到了5.0。     

基于热力计算的固体火箭冲压发动机理论性能研究

研究了固体火箭冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算程序对含铝镁和含硼贫氧推进刺进行了计算,分析了在设计点处补燃室温度、冻结流比冲、平衡流比冲随空燃比变化的趋势,以及比冲随补燃室压强变化的趋势.计算结果表明,冻结流比冲低于平衡流比冲;在合理空燃比区内,选取空燃比作为设计值,有利于提高发动机性能;提高补燃室压强和选用高能推进剂都能有效提高比冲,但补燃室压强的提高受进气道设计的制约.     

电动泵压式发动机系统方案与性能评估

提出了一套电动泵压式液体火箭发动机系统方案,编写了发动机评估程序,能够预估给定推力、混合比、室压条件下,发动机比冲及各组件质量。研究结果表明,电动泵发动机适合作为长时间工作的动力;存在与室压相关的临界时间点,系统工作时间大于该时间点时电动泵发动机相比燃气发生器循环质量更轻;室压大于2 MPa,工作时间大于317 s时,电动泵系统具备质量优势。     

火箭基组合循环(RBCC)发动机性能分析

介绍了采用引射火箭模式的RBCC发动机工作原理,并在对其概念设计模型进行简化的基础上,进行了RBCC发动机系统性能分析,评估了RBCC发动机系统主要设计参数(发动机系统出口截面直径和燃料化学反应后的总温)的变化对其性能(推力、推力系数和比冲)的影响,认为:1)燃料经过加热后,推力和推力增益都上升了69.97%,比冲增加了180.18%;2)随着二次燃烧过程中燃烧室温度的上升,发动机的推力、推力增益和比冲得到了很大的提高,火箭发动机的性能得到了很好的改善;3)随着RBCC发动机系统出口截面直径的增加,尾气对发动机的反推力、推力增益以及比冲急剧下降,不利于其性能的改善。     

涡轮增压固体冲压发动机热力循环分析

针对未来导弹对推进系统高比冲、宽马赫、大空域的要求,将空速域宽广的空气涡轮火箭(ATR)和比冲性能好的固体火箭冲压发动机(SPR)进行集成,提出了涡轮增压固体冲压发动机(TSPR)的概念,对其进行热力循环分析,验证此组合概念发动机的原理可行性,建立了其热力循环分析模型.利用该模型在典型弹道上对ATR、SPR和TSPR的...     

我国大推力补燃氢氧发动机研究进展

氢氧火箭发动机因具有很高的性能,在国内外运载火箭中得到了广泛应用。为了更好地开展深空探测,必须研制大推力氢氧火箭发动机。本文综合分析了国内外氢氧发动机的发展历史和现状,简要介绍了我国220 t补燃循环氢氧发动机方案和关键技术研制进展,该技术方案先进。通过开展试验件冷态试验和缩尺组件热试验等,研究了核心部组件的关键技术和方案选型。开展全尺寸预燃室热试验等分系统热试验,研究组件级技术,初步突破了部分关键技术。建议加快开展大推力氢氧发动机工程研制,促进我国航天推进技术发展。     

Small cryogenic propulsion unit for upper stage application

The feasibility study was conducted to use the cryogenic propulsion system for the third stage of the future H-1 vehicle. While the $\text{LO}{}_2\text{LH}{}_2$ third-stage mass fraction is less than the current solid propellant third stage, the 50% higher Isp results in a significantly higher payload. Two basic configurations of the new propulsion system were proposed: one pressure-fed system and two pump-fed systems. The first is a pressure-fed system providing a 700 kg thrust at an Isp of 441 sec with restart capability. The second is a pump-fed system, operating on an expander cycle principle. A midget turbopump with a 90 000 rpm shaft speed feeds the thrust chamber which delivers 1 ton of thrust at an Isp of 471 sec. The third proposed system is also a pump-fed design using a unique expander bleed cycle, and delivers a 1 ton thrust at an Isp of 470 sec with a turbopump speed of 80 000 rpm. The results of engine testing predict the performance feasibility of respective propulsion system designs.     

烃类推进剂航天动力技术进展与展望未来

为研究烃类推进剂航天动力技术在中国的后续发展和未来应用方向,对比分析煤油、甲烷和丙烷等典型烃类推进剂的物理化学性质和应用特性,简要介绍烃类推进剂航天动力在一次性运载火箭、可重复使用运载器、高性能上面级推进、无毒空间推进和吸气式推进领域的发展动态及应用状况。当前国内外航天动力系统的发展和应用情况表明,以液氧煤油发动机和液氧甲烷发动机为代表的烃类推进剂航天动力将引领未来高性能低成本航天推进系统的发展趋势,依照中国液氧/烃火箭发动机的研制进展和技术水平,以其为核心的新型动力体系在中国未来的天地往返、载人登月和深空探测等多任务适应性方面具有良好应用前景。     

The second stage propulsion system for N-launch vehicle

The pressure-fed second stage propulsion system for N-launch vehicle provides 53,348 N (5440 kg) thrust for about 250 sec at an Isp of 290.2 sec. Aluminum tanks, integral with vehicle structure, carry a minimum of 4.7 ton propellant combination of N₂O₄ and Aerozine 50. The gimbaled engine consists of a regenerative cooled chamber, ablative nozzle spacer, and a radiation cooled nozzle extension with an exit area ratio of 26. Utmost utilization of domestically available technology and facilities underlay the design concept. Development of the propulsion system took 5 years with the first flight occurring in 1975. Five consecutive flight successes up to 1979 have demonstrated the reliability and performance of the system.Improved N vehicle, designated as N-II, will succeed the N vehicle. New second stage propulsion system for N-II delivers 43,816 N (4468 kg) thrust at an Isp of 314.1 sec and has restart-capability.     

我国载人登月重型运载火箭动力系统探讨

月球研究与利用是21世纪航天发展的重点之一。根据载人登月的需求,探讨了我国重型运载火箭及其动力系统的技术途径,提出研制大推力液氧/烃和液氧/液氢发动机的设想。重点论证了大推力下面级发动机的推进剂组合、动力循环方式及推力量级,认为该发动机推进剂应选择环保、廉价及高性能的液氧/烃组合,动力循环方式应采用先进的补燃循环或低成本的燃气发生器循环,推力应为4000kN左右。     

国外深空探测推进技术发展及启示

推进系统为探测器的飞行提供所需的控制力和控制力矩,一定程度上决定了探测器的规模、最远飞行距离,乃至任务的成败,是探测器的重要分系统之一。为满足不同的深空探测任务需求,国外发展了多种形式的推进技术,但总体上仍以化学推进为主,部分采用了电推进系统,并在发展高性能低温推进技术等。对国外典型探测器推进系统进行了叙述,分析了其技术特点和发展趋势,并分别针对无人探测和载人探测应用探讨了对我国开展深空探测推进技术研究的启示。     

核热推进载人火星探测方案设计

针对载人火星探测任务,结合我国现有技术基础,提出我国载人火星探测方案,重点研究载人火星探测任务推进系统的设计。首先,综合考虑载人深空探测任务的约束,采用Pork-Chop图设计了适用于不同任务场景的转移轨迹;然后,参考我国空间站技术,基于核热推进系统设计了我国载人火星探测任务的飞船;最后,对核热推进系统的发动机台数和推力进行了优化,得到了适用于不同任务场景的最优推进系统组合方案。本文所研究内容为我国未来载人火星探测任务提供了有益参考。     

载人小行星探测的任务特点与实施途径探讨

介绍了载人小行星探测的发展现状,对目前美国基于"猎户座"飞船的载人小行星探测的概要方案进行了描述,包括探测器系统组成、运载火箭和飞行方案等内容。从速度增量、目标星引力等方面,分析了载人小行星探测的任务特点,并与载人火星探测、载人月球探测以及无人小行星探测的任务特点进行了比较。给出了载人小行星探测的实施途径建议,包括目标星选择、载人飞船系统设计等。讨论了其所涉及的推进、星际飞行安全保障、小行星表面行走等关键技术。研究结果可为我国开展载人深空探测提供参考。     

Optimum design of power-limited propulsion systems with application to fast Earth-to-Mars transfer

Power-limited systems with variable Isp, which have been studied theoretically since the beginning of astronautics, are getting closer to practical applications thanks to recent technological advances in the field of magnetosplasma rockets, such as Ad-Astra’s VASIMR concept. This type of propulsion system is considered for high-speed interplanetary transfers, such as Mars missions, with demanding payload fractions that would be compatible with manned missions. This paper explores the problem of the optimization of a power-limited propulsion system through simple performance models, and investigates the trade-off between the technological requirements, the transfer time and the payload fraction¹. Following previous works existing in literature, we model the technological characteristics of the vehicle through a small number of parameters, the most important of which being the specific weight (or mass-to-power ratio) of the power generation system. Also, we use in our models the classical “trajectory characteristic” parameter (defined as the integral over time of the squared thrust acceleration) which represents – under certain hypotheses – the propulsion requirements for an orbital or interplanetary transfer with a given time and a given thrust strategy. In this paper, we first give a review of existing methods in literature, then we present the equations of a new class of optimal design which maximizes the payload fraction, for a given transfer time and given technological characteristics. This class of optimal design is described through very simple equations that make possible to study more straightforwardly than existing calculations the links between the main mission requirements (transfer time and payload fraction) and the main technological requirements (specific weight of the power generation and structure mass ratio of the whole vehicle, excluding the power generation system). One important result obtained from these equations is a simple expression which estimates the theoretical upper limit of the power source’s specific weight as a function of transfer time and the payload mass ratio. In the last part of this paper, we apply this simple performance model to discuss the feasibility of a fast Earth-to-Mars transfer using a power-limited system.     

核热推进反应堆燃料元件发展概述

深空探测作为我国航天领域未来的重要任务之一,需要性能更高的推进系统提供动力。核热推进系统具有高比冲、大推力、长运行寿命、可重复启动等优点,可为未来深空探测任务提供可靠的动力支撑。经过了60多年的发展,核热推进固态堆芯燃料元件被研制出了多种类型,如六棱柱石墨基燃料元件、扭曲条带燃料元件、六棱柱金属陶瓷燃料元件、球形包覆颗粒燃料元件、MITEE型燃料元件、SLHC型燃料元件、Grooved Ring型燃料元件等。总结归纳了核热推进固态堆芯燃料元件的发展状况,提出了发展核热推进固态堆芯燃料元件的关键技术,可为我国核热推进系统燃料元件的研制提供借鉴。     

火星探测器推进系统初步设想

火星探测是深空探测的重要内容之一,全面了解和掌握火星探测器的特点对进行火星探测具有重要意义.本文分析了国外火星探测器推进系统的系统组成和工作原理,介绍了我国火星探测器推进系统的初步设计方案,结合工程应用现状,提出了火星探测器推进系统的关键技术.