主动冷却超燃冲压发动机最大工作马赫数评估

采用主动冷却方式对超燃冲压发动机进行热防护是解决其长时间工作的有效措施。针对超燃冲压发动机燃烧室恶劣的热环境,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的主动冷却结构,建立了发动机主动冷却结构设计的数学模型。引入发动机冷却液流量系数,从飞行器整体热防护角度出发,以发动机燃烧室主动冷却结构中冷却液的出口温度为依据来评价超燃冲压发动机可以达到的最大工作马赫数,以及分析发动机冷却液流量系数、飞行高度和燃烧室化学反应当量比对最大工作马赫数的影响。结果表明,增加冷却液流量系数、适当降低飞行高度、一定范围内提高化学反应当量比,可降低冷却液出口温度,从而提高发动机的最大工作马赫数。     

固体燃料冲压发动机内部套管结构数值分析

为了研究固体燃料冲压发动机内部套管结构调节燃料流量的特性,对某模型发动机的湍流燃烧流场进行了数值分析。研究发现,套管开口靠近有效载荷末端与燃烧室入口收缩段时,燃料流量的变化速度较快,而在二者之间的位置基本保持不变;套管开口紧贴有效载荷末端时,燃烧室出口燃烧效率较无套管有所提高,套管向下游移动,将使燃烧室出口燃烧效率降低;套管壳体的最高温度出现在套管出口位置,应适当加强套管末段的热防护。     

固液混合发动机的新宠--石蜡基燃料

石蜡基燃料是近年来开始大力研究的用于固液混合发动机的推进剂,其燃速是现在通常应用的HTPB的3～4倍,扫除了大型固液混合发动机应用的最大障碍。固液混合火箭具有安全、价廉等优点,石蜡基燃料的固液混合火箭有可能在5～10年内研究成功并应用于实际,成为一种廉价的可重复使用火箭助推器。本文描述了用于固液混合发动机的石蜡基燃料的研究现状,对石蜡基燃料应用中可能存在的问题进行了分析,展望了采用石蜡基燃料的固液混合发动机的应用前景。     

固液混合发动机的新宠――石蜡基燃料

石蜡基燃料是近年来开始大力研究的用于固液混合发动机的推进剂,其燃速是现在通常应用的HTPB的3～4倍,扫除了大型固液混合发动机应用的最大障碍。固液混合火箭具有安全、价廉等优点,石蜡基燃料的固液混合火箭有可能在5～10年内研究成功并应用于实际,成为一种廉价的可重复使用火箭助推器。本文描述了用于固液混合发动机的石蜡基燃料的研究现状,对石蜡基燃料应用中可能存在的问题进行了分析,展望了采用石蜡基燃料的固液混合发动机的应用前景。     

SSME标准型主燃烧室设计方案

NASA 的马歇尔航天飞行中心正着手研制一种标准型先进主燃烧室(AMCC)。先进主燃烧室设计方案是将材料、加工、压力、高温、质量以及设计等因素集于一体的设计方案。将先进主燃烧室方案加以修改以满足铸造工艺要求。先进主燃烧室的夹层、进口/出口歧管、进口/出口端冷却剂流动分离器、支架、作动器以及发动机控制器安装架等部件都将采用铸件。先进主燃烧室的一部分铸件外形设计应以满足夹层结构衬套成形方法为前提。用真空等离子喷射衬套的方法现正在进行研究。一九九四年,先进主燃烧室将在航天飞机主发动机技术试验台上进行热试,该试验台是马歇尔航天飞行中心先进发动机的试验装置。     

HAN基无毒单组元发动机热控研究

为使某HAN基无毒单组元发动机正常工作,需采用一种高效的热控方式,保证点火前其催化床温度在200℃之上(远高于传统单组元发动机的点火温度)。以该HAN基发动机为研究对象,在制定的热控方案基础上,建立有限元模型,采用I-DEAS/TMG软件对该发动机各部件温度进行计算,之后按照产品状态进行发动机真空热试验,获取发动机重点部位的温度数据。结果表明:除前床后部外,其余位置温度测点的热分析和试验温度误差均小于4℃,认为两者吻合较好,有限元模型可用于之后的在轨温度预示等工作;该HAN基发动机身部采用安装一种新型铠装加热丝组件,而后覆盖不锈钢箔的热控方式,结合支架的镂空结构设计,满足发动机工作的温度要求。     

N2O/丙烷火箭发动机研制

为进行N2O/丙烷(C3H8)火箭发动机(NOP)试验,在亚拉巴马大学(UAH)新建了一座发动机试车台,装备了台架式推进剂供应系统、10001bsf(4448.22N)的推力架和数据采集系统.研究了N2O催化分解点火方案,对几种催化剂材料进行了评估.Shel1-405和钴基的ZSM-5性能良好,可使N2O充分分解,并点燃碳氢燃料,如丙烷.试验表明,纯N2O通过Shel1-405时,催化分解反应在400°F(204℃)时进行,如果加入少许碳氢燃料(例如丙烷或丙烯),此温度将下降到大约200°F(93℃).NOP发动机在L*=3m时,在混合比4.89到8.68之间进行了试验.在合适的热损失模型下,试验数据与理论计算结果相吻合.使NOP发动机稳定工作的范围基本确定为N2O流量＜0.270 1bm/sec(0.122kg/s),混合比在5～6之间.用辐射测量仪来测量发动机排气温度和羽流成分,用羽流皮托管校验推力数据.     

特殊套装的可变面积比可延伸出口锥的设计特性和现状

本文论述一种新的 EEC 方案,本方案不受其它“传统的”EEC 方案的限制,它具有某些特有的设计优点。盖板折叠 EEC(SLEEC)由烧蚀材料或者碳碳材料做成的许多块内外盖板组成。这些盖板重叠特殊,并且紧密套装在喷管固定出口锥的周围,从而使收藏体积大为缩小。作动系统由同步的轴向和径向传动装置组成,这种传动装置当反作用力引起轴向和环向载荷时同时提供延伸和径向扩展。因此锥越来越大而得到展开,使锥成为一个膨胀面确实可变的装置,在火箭发动机的加速级允许最佳高度补偿。对 SLEEC 的不同应用所获得的性能作了对比研究。     

双推力室起动同步性研究

我国新一代大推力液氧/煤油补燃发动机采用双推力室方案,发动机起动时存在推力室点火不同步情况.以500 t级液氧/煤油补燃发动机为研究对象,针对起动时推力室点火不同步问题,对发动机推力室燃料路的控制方案进行了研究.建立了描述补燃循环发动机起动过程的数学模型,搭建了双推力室发动机起动仿真平台.通过对推力室燃料路两种控制方案的对比分析：指出了从降低发动机系统对双推力室不同步点火的敏感程度考虑,采用2个燃料节流阀分别控制各分支燃料路的方案较优;推力室燃料路采用一个燃料节流阀的控制方案时,推力室冷却套流阻偏差不宜大于1 MPa.     

燃料喷注位置对于RBCC超燃模态性能的影响

为实现二元结构火箭基组合循环(RBCC)发动机在超燃模态下较优的工作性能,开展了数值模拟研究。使用二阶TVD格式差分算法,结合十二步乙烯简化动力学模型,分析了RBCC超燃模态下的冷热态流场,评定燃料喷注位置对发动机性能的影响。数值模拟结果表明,支板火箭关闭情况下,乙烯燃料RBCC发动机可在流道内组织燃烧、建立室压;将燃料在支板与凹腔中间靠上游位置喷注,可获得较好的发动机总体性能,此时发动机内推力增益可达9%以上;支板火箭底部的高温低速回流区有助于维持燃料高效燃烧释热。     

超空泡推进发动机燃料能量特性比较

超空泡鱼雷实现高航速、远航程的有效途径之一是携带高能燃料--金属粉末燃料或金属基燃料.为了说明这些燃料的能量特性,结合水冲压发动机的工作特点,采用最小自由能法对各种燃料进行热力计算,并进一步进行能量比较.分析结果表明,铝粉是较为理想的燃料,镁基燃料不可取.热力计算和能量比较法可为燃料的选择提供依据,进而指导水冲压发动机的设计和试验.     

RBCC发动机主被动复合热防护方案研究

随着对RBCC发动机研究的不断深入,热防护问题已经成为其走向工程应用的关键之一,本文针对RBCC发动机开展了热防护方案的研究。首先,采用数值模拟对RBCC发动机各模态下的热环境进行了分析;然后,进行了RBCC热防护方案的论证,认为目前材料和技术水平下全主动和全被动方案很难满足RBCC热防护的要求;在此基础上,提出了一种主被动相结合的复合热防护方案,并完成了复合热防护方案的设计。该方案内壁整体采用C/Si C陶瓷基复合材料,在受热比较严重的部位加装再生冷却模块,较好地解决了RBCC发动机冷却剂流量不够的问题。通过对方案的校核计算表明,该方案可满足长时间工作RBCC的热防护需要。     

超燃冲压发动机支板研究综述

以超燃冲压发动机支板工程设计及应用为研究目标,从燃料/空气掺混增强、燃烧强化、支板/凹腔一体化稳焰、支板阻力及支板热防护5个方面对国内外超燃冲压发动机中支板研究现状进行回顾与总结.认为支板可靠热防护是限制其工程应用的瓶颈,建议:1)采用燃料侧喷,利用超声速扰流气动掺混替代尾部交错结构机械掺混,降低支板阻力及热防护难度;2)飞行Ma＞7时,放弃支板/凹腔一体化结构,并使支板远离燃烧区域高温燃气,仅承受来流热冲击,以便现有材料及冷却技术能够解决支板热防护问题,且此时支板阻力主要取决于来流条件,推荐采用带有前缘角度、后掠结构的薄支板以减小支板阻力;3)结合多种手段对支板进行综合热防护,实现支板长时间可靠工作.     

我国首次液氧煤基煤油发动机试车获成功

<正>项目进展4月12日,我国首次以液氧与煤基煤油为推进剂的火箭发动机整机热试车在中国航天科技集团公司六院获得成功,证明煤基航天煤油各项指标与石油基航天煤油相当。这次试车成功是液氧煤油火箭发动机研制工作的一项重大进展,也使我国成为世界首个将煤基煤油应用到航天领域的国家,对保障我国高速发展的航天工业燃料     

固体燃料热分解特性分析

为了认清固液火箭发动机混合燃烧过程,采用热平板导热方式对固体燃料进行热分解实验,得到了固体燃料的化学动力学参数。在热平板导热实验中,观察了固体燃料在不同温度条件下的热分解残药情形,绘制了典型的燃料表面热分解温度-时间曲线,进一步得到Arrhenius类型的燃面退移速率-燃料表面温度关系曲线,并得出固体燃料的活化能强烈依赖于燃料的表面温度,"燃速-温度"曲线明显地展现了2个活化能区域,为固液火箭发动机燃料表面退移速率理论计算提供实验依据。     

航天发动机推进—现状报告

自1974年以来,根据赛奥科尔公司提出的计划,用静态点火试车验证了顶级火箭发动机设计的主要进展。发动机弹道性能的改进和质量比的提高,在装药量为450—1650公斤,直径为0.7、0.9和1.2米的几种发动机上得到了验证。大多数技术改进都用设计的每种发动机进行几台静态点火试验验证过,并且根据合同正在研制的近地点和远地点发动机采用了这些技术。这些改进包括:端羟基聚丁二烯(HTPB)复合推进剂;柱槽型的药柱设计;碳—碳出口锥的深潜入喷管;在喷管潜入部分周围安装一个环形的小火箭式点火器和低密度三元乙丙橡胶(EPDM)壳体绝热层。     

先进的航天发动机试验

本文报导一种航天发动机的高空模拟点火试验。这种发动机综合利用了几种先进技术:90%固体燃料的端羟基聚丁二烯/铝粉/过氯酸铵/奥克托金推进剂;在凯夫拉壳体内的头端满装药;无支撑的整体喉部和收敛段入口;特轻的喷管和用充气膨胀的作动筒展开的可延伸出口锥。这次试验结束了法国欧洲动力公司和美国联合工艺公司化学系统分部之间为期两年的分工协作的研究和试制工作。所达到的比冲值被认为是复合推进剂在样机发动机中的一个最高记录。     

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。     

基于热仿真的泵压式多次起动发动机热控设计

某上面级主发动机采用常温可贮存液体推进剂,采用泵压式供应方案,依靠起动箱式多次起动系统使发动机具备多次起动工作能力,在轨工作2天。为使发动机温度环境满足工作要求,对发动机进行了热控设计,热控方案采用被动热控措施为主、主动电加热措施为辅以及起动前排放的综合措施。发动机热控设计基于热网络仿真分析法,通过建立整机热分析模型预示发动机任务剖面温度变化,为发动机提供合理的热控设计方案。     

火箭发动机的正反转涡轮设计

一项减少重复成本的主要方法就是限制零件数量和简化机械结构.涡轮泵在火箭发动机总成本中占有很大一部分,大约是30%,因此,理应对涡轮泵进行设计简化.对于可贮存的液氧/烃或者液氧/甲烷火箭发动机,把涡轮泵设计成一轴化是有价值的.然而,对于液氧/液氢发动机,由于两推进剂密度之间存在着巨大的差异,因此,最佳方案就是燃料泵和氧化剂泵分别采用不同的转速驱动.在这种方案中,可以仅用一个涡轮来带动液氧和液氢泵,不过两泵之间要通过齿轮来传递转速,例如HM7或RL10发动机就是这样的结构.但是,齿轮在低温环境中的工作是不可靠的,此外,成本和重量也是问题,带有齿轮的涡轮泵适用于低推力发动机,为低功率涡轮泵.目前,低温火箭发动机推力室通常采用两个独立的涡轮泵来供应推进剂,一个涡轮泵是供应液氢,另一个供应液氧(某些俄罗斯的发动机除外).可以采用正反转涡轮,使得氧化剂泵和燃料泵处于单一壳体内.该正反转涡轮设计的约束条件如下:每个转子必须按所需转速驱动相应的泵;每个转子必须传递驱动泵的功率;必须对轴向载荷进行监测,以免轴向推力轴承过载.设计的自由度包括转子半径和涡轮的压力叶栅.本文给出正反转涡轮一个简单的一维理论,考虑了每个转子半径的不同,并对一组同一规格的两个轴流涡轮与正反转涡轮进行了比较.