中国航天新动力——新一代大推力液氧煤油火箭发动机研制幕后的故事

2012年7月29日,中央电视台一场主题为《聚焦大火箭"心脏"》的电视实况直播,在国内外引起了巨大反响。随后,新华社、人民日报、解放军报、光明日报、科技日报、中国青年报、中央人民广播电台、新浪网、搜狐网等上百家媒体竞相予以报道。一时间,我国新一代大推力120吨液氧煤油火箭发动机研制成功的消息,伴随着电视、报纸、广播、网络迅速传遍了地球每个角落。     

500吨级液氧煤油发动机燃气摇摆装置热试成功

近日,由中国航天科技集团公司六院11所研制的500吨级液氧煤油发动机燃气摇摆装置首次热试验取得圆满成功,这标志着该发动机泵后摇摆软管设计、制造技术实现突破,数字化技术在发动机工程研制中得到成功应用,为发动机后续研制奠定了坚实基础。     

空气/煤油燃气发生器技术研究

介绍了某动力装置采用空气/煤油燃气发生器的研究情况。为了实现某动力装置的燃料无毒化,研制了空气/煤油燃气发生器,并完成与涡轮的联动试验,试验结果表明燃气发生器性能满足动力装置要求。该燃气发生器采用电火花点火,具备富燃(余氧系数α<0.3)和富氧(余氧系数α>4.5)双模式工作能力,两种模式下均实现了轴功率输出。此外,燃气发生器还能在两模式间连续切换,且不熄火。这为满足功率需求提供了第三种工作模式。该模式也实现了轴功率输出。     

气氧/煤油谐振点火器研究

谐振点火系统因其结构简单且可重复多次点火而具有很大吸引力。在本研究工作中,设计和试验了一种谐振式点火器,用气氧和煤油燃烧来形成火炬。环境条件下的初步试验结果表明在0.2～0.3LPa较低的煤油喷注压力下,设计可点燃气氧/煤油混合物的点火器是可行的,这就使利用恒压燃料贮箱中的煤油进行点火成为可能。氧在0.1s内就可在谐振腔内被加热至点火温度并在瞬间点燃喷入的煤油。     

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。     

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。     

液氧/煤油发动机换热器试车台配气系统设计

在液氧/煤油发动机研制试验过程中,需要对发动机的换热器进行试验验证,以此来满足发动机对换热器的要求。主要阐述了利用音速孔板控制以及计算气体流量的具体方法、理论计算,以及使用过程中所存在的问题和解决的方法。所设计的配气系统满足了液氧/煤油发动机换热器系统的试验要求。     

新一代运载火箭增压技术研究

随着新一代运载火箭研制的开展,新型120t级高压补燃液氧煤油发动机将得到广泛的使用,该发动机采用的推进剂贮箱增压系统设计被列为新一代运载火箭研制的重大关键技术之一。在对国内外主要液体运载火箭增压方案进行分析的基础上对120t级液氧煤油发动机的贮箱增压系统进行了研究,提出了液氧贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气加温增压,煤油贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气增压方案,并针对液氧贮箱采用常温氦气加温增压的方案开展了理论分析和全尺寸系统级试验研究。理论分析和试验结果表明,该增压方案可行。     

煤油液滴在富氧燃气中不稳定燃烧的数值研究

采用数值分析的方法,对富氧燃气中的煤油液滴的不稳定燃烧过程进行了研究。采用一维轴对称N S方程,考虑了高压实际气体物性和液滴/气团表面气液平衡。计算中空间和时间尺度分别为μm和μs的量级。结果表明,液滴在接近超临界点时,物性的快速变化会引起一定频率的自发振荡;超临界气团对不同压力振荡频率的响应不同;煤油蒸汽的消耗速率对压力振荡的响应不同于蒸发速率的响应,热量释放对压力振荡也具有明显的响应。     

碳氢燃料超燃研究与应用

通过分析与试验表明,技术风险小,性能可靠,近期能够实现的,以煤油为燃料的弹用冲压发动机是一种适宜于飞行Ma=6左右的高超声速导弹的推进装置,采用尾喷管几何喉道可调的方法,有利于提高煤油冲压发动机亚燃工况的性能,满足飞行对低马赫数（Ma=2.5左右）接力与加速状态推力特性的要求,以煤油与氢为燃料的双燃料冲压发动机具有广阔的应用前景。