高能合成煤油GN-1性能研究 --“液体火箭推进”专刊

结合火箭发动机工程应用环境,研究了GN-1煤油高温高压热物性、安全特性、传热结焦性能以及点火延迟性能,并和现役火箭煤油作了对比分析。采用商业仪器对GN-1煤油在最高200℃、最高压力25MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了实验测量。在实验数据的基础上,依据基团贡献法、基于比容平移法则的P-R方程、摩擦理论、广义对应态原理分别对GN-1煤油在最高350℃、最高压力60MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了理论计算,建立了GN-1煤油的密度方程、黏度方程、导热系数方程,并将方程的计算值与实验值进行了对比,计算偏差较小。对GN-1煤油和火箭煤油的安全性能进行对比研究,GN-1煤油的闪点为40℃,自燃温度为305℃,高于火箭煤油(225℃);燃点为47℃,低于火箭煤油(82℃),GN-1煤油的爆炸极限范围为0.44%-2.9%（40℃）。GN-1煤油和火箭煤油的急性经口毒性LD50＞5000mg/kg,均属于第五级化合物（实际无毒）。在入口压力10 MPa,流速10 m·s-1,内壁温480℃条件下,GN-1煤油的传热系数比火箭煤油提高14.4%,建立了传热准则方程。GN-1煤油出口油温220℃时试验段平均结焦速率是出口油温150℃时的4.43倍,GN-1煤油不锈钢材质管路中试验段平均结焦为高合管材质管路中的22.3%。在970K-1105K温度范围内,GN-1煤油的点火延迟时间为320μs-471μs,是火箭煤油的55.6%-69.3%。相关研究可对发动机可靠设计及应用提供重要参考。     

基于MotoTron平台的二冲程煤油发动机控制器开发

为实现某二冲程航空煤油发动机控制器的快速开发和策略验证,结合MotoTron快速控制原型开发平台丰富的软硬件资源,依据空气辅助缸内直喷与双火花塞点火的系统设计需求,开发了一套利用8缸机程序控制4缸机的发动机控制器。分析了基于快速控制原型软件架构的控制软件设计方法,利用开发软件MotoHawk配置底层程序和搭建发动机控制系统,并结合Matlab/Simulink建立上层控制策略,实现了完整的控制系统开发。在台架上进行了冷起动测试,发动机起动后转速较平稳,点火提前角、喷油提前角和喷油脉宽的调节过程符合控制策略设计,空燃比控制稳定,空燃比误差在10%以内。发动机顺利过渡到正常工况,验证了冷起动控制策略的可行性,实现了控制器的基本功能,控制器设计满足要求。     

煤油/氧气预爆器爆震波特性研究

为了解决液态煤油旋转爆震发动机短距离快速起爆问题,进行了煤油/氧气预爆器方案设计。此方案包括双级轴向旋流和离心喷嘴匹配方案、半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管等设计,建立了液态煤油/氧气预爆器爆震波特性试验台。探讨了不同工作时序、当量油气比、预爆管结构等对预爆器爆震燃烧特性的影响。结果表明预爆器产生的爆震波压力达到4.0MPa以上,爆震波传播速度高于1300m/s,液态煤油/氧气最佳当量油气比存在于0.6-0.73之间一点。对比半圆轴向垂直预爆管和圆管切向预爆管,圆管模型爆震波压力明显高于半圆管模型,而传播速度却低于半圆管模型,圆管模型整体存在着前导激波的生成,而半圆管模型却在生成的爆震波后方有明显的压力波动现象     

氟里昂(F-113)中煤油的分析--红外分光光度法

介绍了用红外分光光度法分析液氧/煤油发动机清洗后氟里昂(F-113)中煤油的含量,对方法的精密度和准确度进行了计算,并对实际样品进行了测试.     

150 N气氧/煤油发动机涡流冷却技术试验

为探索百牛量级姿控发动机采用气氧/煤油涡流冷却推力室的可行性,开展了涡流冷却技术的试验验证工作。在理论分析和数值仿真的基础上,完成了150 N气氧/煤油涡流冷却推力室设计。数值仿真结果表明:内旋流区域占燃烧室直径D_c的87.8%,燃烧化学反应发生在39%～81%R_c的环形区域。经热试考核,燃烧室点火可靠,工作稳定,燃烧效率达0.91;形成了有效的气膜冷却,壁面和头部热防护可靠,充分验证了内外双漩涡结构的存在。     

基于气化煤油喷注的RBCC燃烧室亚燃模态燃烧组织研究

针对RBCC发动机亚燃模态进行主动冷却的情况下,煤油发生气化后喷入燃烧室的燃烧组织开展研究。在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭高温射流作为引导火焰可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和稳定燃烧,当煤油喷注前加热到气化/超临界态时,燃烧室最高压力相比于室温液态煤油提高约10%左右。当关闭一次火箭后,利用凹腔成功实现火焰稳定,而使用室温液态煤油喷注时,凹腔内无法实现火焰稳定。通过数值模拟获得了不同喷注方案的燃烧室燃烧流场特征和燃烧组织过程,为进一步优化燃烧室的性能提供依据。结果分析表明通过合理布置燃料支板喷注位置,由燃料支板下游集中的燃料热释放使得气流在扩张燃烧室构型中实现"热力壅塞",通过燃料分配实现燃烧室内合理的燃烧释热分布,使RBCC发动机亚燃模态完成高效燃烧组织。     

煤油超燃冲压发动机两相流场数值研究 (Ⅲ)煤油在超燃流场中的多步化学反应特征

深入分析了煤油代用燃料C12H23的17组分30步反应模型在超燃冲压发动机流场内的细观化学反应动力学特征,结果表明：(1)该化学反应模型比较合理地描述了煤油在超燃流场内的裂解、点火、裂解产物的燃烧以及和NOx的生成等基本规律和特征,其中对于OH分布特征的预示和文献的利用PLIF的物理观测结果一致。不过,其单步裂解机制对温度场的预估偏高。(2)对导流型凹槽内的化学动力学特征分析表明,导流槽由于加强了凹槽外氧气向凹槽内的输运,使得凹槽内的燃烧得以强化,生成的CO2偏多。(3)煤油的化学反应动力学过程对于准确预示和评价煤油在超燃发动机内的燃烧状况及发动机整体性能有重要影响。     

液氧煤油发动机碟形金属密封特性

碟形金属密封是一种精密的封闭式密封结构,在预紧过程和工作过程中表现出强烈的非线性特征,采用试验手段或者线性有限元方法无法对其密封特性进行直观量化研究。为了解决该问题,以1 200 kN推力液氧煤油发动机中的一种小直径碟形金属密封结构为研究对象,采用非线性弹塑性有限元仿真计算方法,分析了密封结构轴向压缩量、各密封面的密封面积及密封应力随加载载荷的变化规律,研究了碟形密封结构的密封机理和轴向刚度特性。分析结果表明:预紧载荷作用后4个密封面均形成密封面积和密封应力,预紧状态下碟形环发生"S"形变形并出现失稳现象,介质的压力载荷和温度载荷造成各密封面的密封性能下降。     

液氧/煤油发动机多余物自动检测技术

多余物的控制是航天型号产品研制生产过程中的关键,多余物检查及排除是保证火箭发动机可靠工作的重要环节。针对1 200 kN液氧煤油发动机总装后不能进行多余物检测的问题,采用机械转台将被检查产品进行滚动,使存在于发动机内腔的金属多余物与其内壁发生碰撞和滑动,在此过程中产生的声信号以弹性波的形式传播到产品外壁,通过声发射传感器监测该信号,并转化成相对应的电信号输出,给出多余物有无的判定信息和存在位置的参考信息。通过对发动机多余物自动检测中浮动环及电磁干扰噪声的屏蔽,以及发动机整机多余物自动检测中发动机滚动的转速、传感器的阈值以及触发信号同步接收时间等工艺参数的研究,得到了发动机多余物检测的最佳工艺参数,实现了1 200 kN液氧煤油发动机整机多余物自动检测。     

中国的长征5号运载火箭

为全面提高中国运载火箭的整体水平和能力,满足未来30～50年航天发展的需求,保持中国运载技术在世界航天领域的地位,需尽快研制新一代运载火箭。根据"高可靠、低成本、无毒、无污染、适应性强、安全性好"的目标,新一代运载火箭的研制工作将坚持"通用化、组合化、系列化"的设计思想,按照"一个系列、两种发动机、三个模块"的发展路线,统筹规划、分步实施。长征5号运载火箭是新一代大型运载火箭系列的基本型,为一种