液氧的危险性分析及其安全防护技术措施

液氧是液体火箭发动机的一种常用氧化剂,它具有火灾、爆炸的危险性,会引起人员冻伤和氧中毒。从防火防爆、人员冻伤和氧中毒防治三个方面提出液氧的安全防护技术措施,保证液氧的使用安全。     

液氧/煤油发动机试验废水的循环使用

为达到国标中有关污水排放的二级标准及节约利用水资源,设计和安装了液氧/煤油发动机试验台试验污水处理和循环使用系统。发动机试验采用水冷式导流槽,每次试验的用水量很大,并且试验产生的废水会含有一定量的煤油,该处理系统采用过滤-吸附-消毒等工艺对试验产生的污水进行处理,并将处理后的污水进行循环使用。系统投入使用后污水处理效果理想,且运行稳定、便于维护。     

面向在轨靠泊加注的管路力学分析与优化设计

面向在轨伸出式靠泊加注任务,针对对接过程中加注管路因同步外伸而产生附加力的问题,提出了一种偏置椭圆螺旋构型的加注管路。首先,推导了管路的轴向刚度和应力数学表达式,通过有限元仿真和实验校验了上述两个表达式的准确性。之后,将偏置椭圆螺旋管路与其他三种适用管路在同一设计空间下分别进行了基于最小轴向刚度的构型优化设计,得到了上述四种管路各自的最优构型与最小附加力,形成了该类在轨加注螺旋管路的完整设计方法。与仿真和实验结果对比,所推导的管路轴向刚度与应力数学表达式的相对误差均小于5%,可用于该类管路的设计分析。与无偏圆螺旋管路相比,所提出的偏置椭圆螺旋管路将靠泊加注对接过程中的管路附加力降低了约83.5%,更适用于在轨靠泊加注任务。     

液氧煤油补燃循环发动机汽蚀故障建模与仿真分析

为了搭建更加精确的离心泵汽蚀工况的性能预测模型,将汽蚀工况下的泵内流动分为入口段和出口段分别计算流量,以两段流量之差确定泵内空泡体积,进而确定汽蚀的扬程相对降低系数。通过5种型号泵的仿真结果与水试结果对比验证了该建模方法的通用性和准确性,最大计算偏差出现在第二临界点附近,约为1%;针对热试中汽蚀故障进行仿真复现,和热试结果对比验证了该故障建模方法的有效性。在此基础上开展了补燃循环液氧煤油发动机氧化剂泵汽蚀故障的注入与仿真,结果表明：预压泵入口压力降低能够导致氧化剂泵汽蚀;汽蚀工况下,氧化剂主泵扬程降低、流量减少并且转速升高;进而导致燃气发生器混合比趋向当量比、温度升高,与理论分析和试车以及发射中故障结果相吻合。最低允许预压泵入口压力为53%额定入口压力,继续降低压力会导致燃气发生器温度超过临界温度,存在产生毁灭性后果的危险。     

大直径液氧煤油发动机燃烧室抗脉动隔板技术

随着发动机推力的增大,燃烧室直径也随之增大,表征燃烧室热声学特性的振型、频率及其组合振型更为复杂,燃烧室带与不带抗脉动隔板以及隔板的结构参数等对声学特性影响明显,直接影响燃烧不稳定性的裕度。为了研究抗脉动隔板结构参数对燃烧室声学特性的影响,本文基于三维柱坐标系声波动理论和COMSOL仿真平台,研究了抗脉动隔板结构对火箭发动机燃烧室声学特性的影响。通过单喷嘴声学模拟实验,验证了该仿真方法的有效性。分析了隔板高度、厚度和冷区长度对燃烧室声学特性的影响规律。研究结果表明:隔板高度由40mm增加至120mm时,燃烧室一阶切向和二阶切向振型的频率分别下降了22%和31%;隔板厚度和冷区长度对燃烧室声学频率的影响不超过5%;大推力补燃发动机燃烧室直径大,需采用结构形式更为复杂的抗脉动隔板来针对性地抑制横向振型。     

重型运载火箭动力系统分析

讨论了两种载人登月的动力系统方案,分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了重型火箭箭体结构和任务要求.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案.提出了一套重型火箭动力系统,建立了一个运载火箭系列,并对其运载能力进行了计算.经综合分析,提出登月火箭可采用8 m直径的三级半结构,助推级、第一级和第二级均为推力5 000 kN量级富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机,第三级为2台50 t氢氧发动机.      

金属波纹管内液氧流动的涡脱落特性仿真

针对液氧在液体火箭发动机波纹管内的非定常流动，建立了二维数学模型，采用大涡模拟方法模拟了波纹管褶合处周期性的涡脱落现象。基于控制变量法，分析了液氧流动速度、波纹管几何参数对涡脱落频率的影响。结果表明:波纹管涡脱落运动的频率与液氧流动速度近似成正比，与波纹管褶合的特征长度近似成反比。在此基础上，归纳出了计算波纹管涡脱落频率的经验式。     

500吨级液氧煤油发动机结构动态特性

为获得我国载人登月运载系统用500吨级液氧煤油发动机结构动态特性,采用有限元方法对发动机整机结构进行了模态计算分析,并对影响结构动态特性的相关因素进行了分析,获得了发动机的模态参数以及优化结构低频特性的有效途径。针对该发动机零部组件多、结构复杂度高的特点,采用子结构有限元模型组装并结合部分组件试验的方式建立了整机结构的有限元仿真模型。计算结果表明,在目前设计状态下,发动机的首阶模态频率约为8.8 Hz。进一步优化表明,通过增大工艺拉杆倾角,可显著提升伺服回路在相应方向上的横向刚度,从而使该方向上的模态频率得到大幅提升。     

新一代大推力火箭发动机点火试验成功

7月29日,我国新一代大推力120吨液氧煤油发动机点火热试车成功,进一步考验了其稳定性、可靠性和安全性,将为我国2014年实现长征五号火箭首飞以及进行后续载人航天工程和月球探测工程等重大航天工程打下坚实基础。自2000年国家正式立项至今的12年间,液氧煤油发动机先后进行了百余次试车,已先后研制出3种基本型发动机,以及5种适应不同火箭总体飞行状态的发动机。