单组元发动机——能量自给机器人的新型动力源

供能问题是目前制约能量自给机器人广泛应用和进一步发展的关键技术之一。在对能量自给机器人常规储能动力装置进行比较分析的基础上,阐述了单组元推进剂及单组元发动机的基本概念、释能方式和工作特点,并推导出单组元燃料做功能力的基本特征参数。随后,根据能量自给机器人动作行为的不同,综述了国内外正在开展的不同类型单组元发动机的工作原理和研究现状。结合前期开展的单组元发动机和内燃式液压自由活塞发动机的研究工作,指出了单组元发动机的深入研究所需解决的关键技术问题,认为单组元发动机是解决能量自给机器人供能问题的一种值得深入研究的新型动力源。

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。

新研制的5N肼单组元发动机

新研制的额定推力为5N的肼单组元发动机将要应用于新一代地球资源卫星上。本文主要介绍了它于1996年进行的历时四个半月的寿命试验的试验结果。在这次试验中,单台发动机的寿命记录是:5460次100℃～180℃温启动,累计脉冲数39万次(100ms脉冲),工作时间19小时30分,耗肼量193kg。从发动机的表现看,它还有相当长的寿命潜力。这说明基于目前的设计和加工水平的5N发动机不仅能够满足该卫星的控制需要,而且有能力应用到更长寿命的卫星上。

肼类单组元发动机冷起动过程温度敏感性研究

基于催化剂颗粒微孔通道流动-反应与经典时滞理论,建立反映冷起动延迟与分解过程平均效应的催化床模型。对某型单组元发动机冷起动过程开展数值试验,并通过地面试验和文献资料数据验证了数值仿真的正确性与有效性。结果表明,催化床和推进剂的初始温度显著影响肼类单组元发动机的冷起动过程,冷起动压力峰与冷起动延迟时间呈现正相关,且都与初始温度近似指数变化关系。液体推进剂进入催化床后的蒸发过程是肼类单组元发动机在冷起动过程中的主导因素。相较于肼-70和无水肼,采用单推-3的单组元发动机具有更好的冷起动特性。

无毒单组元发动机技术研究

介绍了国内外几种无毒单组元发动机技术的研究背景及研究现状。列出了过氧化氢推进剂、羟基推进剂及硝酸肼基推进剂的一般物理、化学特性和主要性能。除比较了上述三种推进剂无毒单元发动机的工作原理及性能特点外 ,还在推进剂配方的确定、催化剂的选择及发动机结构设计准则等方面进行了初步的探讨 ,并对三种推进剂发动机的空间应用前景进行了评价。

催化床结构对HAN基单组元发动机性能的影响

针对硝酸羟胺(HAN)基推进剂单组元发动机,研究催化床长度和空腔缺陷对发动机工作过程的影响。采用多孔介质假设、Volume of Fluid(VOF)模型以及推进剂分解模型对300 N发动机稳态工作状态和起动过程进行数值仿真。研究结果表明:增加前床长度有利于提高性能,将前床长度由30 mm增加到40 mm,真空比冲提高2.7%。但是,增大前床长度会使响应变慢,不仅使燃气充填阶段末的压强值和温度值分别减小6.7%和12.5%,而且使催化床升温引起的升压时间增加。空腔缺陷会显著降低发动机的性能,前床长度为40 mm时,5 mm的空腔就会使真空比冲降低15%。

流阻对200N单推-3发动机热试车工作特性的影响

管道及阀门内部流阻会显著影响发动机工作性能。为探究不同管路流阻大小下200N单推-3发动机工作特性,开展了光管和波纹管两种管路200N发动机热试车试验研究。结果表明:大流阻工况喷前压下降约42.8%。热试车前后喷前压振荡剧烈,不利于发动机平稳工作。管路流阻显著影响脉冲燃压,小流阻脉冲燃压建立约2.5MPa,大流阻脉冲工作燃压建立约1MPa,远低于前者;管路流阻显著影响阀门启动特性,大流阻状态下,阀门启动时间(T_(80))约为小流阻状态的3.93~5.28倍,管路流阻对阀门电流影响很小;小流阻状态下脉冲冲量显著大于大流阻状态下的脉冲冲量,约为后者1.5~2.1倍。

卫星单组元肼发动机堵塞失效分析

某型单组元肼发动机在整星AIT阶段进行专项测试检查时发现产品无喷气。针对该问题进行了故障定位、试验检测和分析。分析结果表明,导致该故障的的原因是产品经历的环境在产品内部建立了缝隙腐蚀和电偶腐蚀的条件。在长期的腐蚀效应下,生成的腐蚀产物将流体通道堵塞。

硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机起动过程的模拟

无毒单组元液体火箭发动机是空间推进的发展方向之一。针对硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机的起动过程,建立了零维模型、不考虑相变过程的仿真模型和考虑相变过程的仿真模型,并采用这些模型对60 N发动机进行了起动过程的模拟和对比分析。计算结果显示,推力室升压过程历经快速的气体充填和较慢的催化室升温两个阶段。零维计算模型和不考虑相变的CFD方法计算得到的两个阶段时长基本一致,但第一阶段时间显著低于试验结果,第二阶段时长与试验结果符合。考虑推进剂相变过程的模型计算结果与试验结果符合较好。一维计算得到HAN基推进剂在进入催化床约4mm的长度内完全分解。升压第一阶段受催化分解影响很大,HAN基推进剂的分解反应速率低于肼的分解反应速率。

HAN基无毒单组元1N发动机设计研究

对硝酸羟胺(HAN)基单组元1N发动机的设计进行了研究。给出了发动机总体设计中喷注方式、催化床、支架、身部材料和控制阀等要点。介绍了发动机研制中突破的关键技术:采用3孔喷注器对流量进行均匀分配,提高发动机温起动次数,缩短响应时间;催化床分隔为前床和后床,分别使用不同直径大小的催化剂,减小空腔,提高发动机性能;挡板和分隔板应用耐高温铂铑合金材料,提高发动机性能和寿命。高空模拟热试车表明:设计的HAN基1N发动机可实现平稳点火,并获取了发动机的稳态和脉冲工作性能。发动机研制已完成了模样阶段并转入初样阶段,并被国内快响小卫星采用。

高床载单组元肼发动机冷起动过程仿真研究

为了进一步提高飞行器的变轨稳定性,研究高床载单组元肼发动机的冷起动特性,采用模块化建模思想通过管路输送系统、推力装置等功能模块的数学模型,基于Mworks软件构建了基于冷起动延迟的单组元肼发动机仿真系统,并采用实验数据对冷起动过程压力特性进行有效性验证。在保证发动机的稳态室压和冷起动加速性的情况下,分析了对高床载单组元发动机冷起动压力峰的影响因素,得到其关于毛细管长度、限流圈孔径等结构参数的关系。结果表明:贮箱压力的变化对冷起动过程的影响较小;增加毛细管长度会显著降低发动机的冷起动加速性;选取合适的限流圈孔径来减小瞬时流量是抑制冷起动压力峰较为合理有效的方式。

无毒单元发动机催化燃烧过程可视化试验研究

无毒单元推进系统具有性能高,操作简单、爆炸风险低等特点,未来将全面替代肼类推进系统。深入研究无毒发动机催化燃烧过程,采用透明燃烧室对无毒单元发动机进行可视化研究,并与金属燃烧室试验结果进行比对,试验结果表明:在室压快速上升阶段,推进剂快速反应处于前床,发动机效率很低;在室压平稳上升阶段,发动机的催化燃烧部位逐渐从前床向后床扩展,推进剂催化燃烧主要在催化床核心部位进行;随着发动机连续工作时间增加,发动机燃烧强度增加和燃烧效率提高。

C/SiC复合材料在高能HAN发动机上应用研究

针对高能硝酸羟胺(HAN)发动机特点,联合国防科技大学与贵研铂业股份有限公司研发了新型C/SiC复合材料身部,并进行地面试验。试验结果表明,C/SiC复合材料身部结构完好,表面HfO_2基环障涂层较完整,未出现显著开裂、剥落,涂层效果明显,保证了HAN单元发动机工作寿命。本研究为C/SiC身部在HAN单元发动机上工程化应用提供参考。

肼基单组元火箭发动机的动态响应

单组元火箭发动机是航天器姿态调整和轨道控制的重要元件。针对肼基单组元火箭发动机对入口流量变化形式的动态响应,建立发动机推力室内推进剂的流动、分解和传热仿真模型,并利用这些模型对发动机进行了3种不同推进剂供给方式(稳态式供给、线性式供给和脉冲式供给)的数值模拟与计算分析。计算结果表明:发动机各点的温度会因位置差异而对入口流量的响应变化存在不同。压强、速度和推力对入口流量变化的响应非常迅速,三者在总体上的变化趋势与入口流量的变化趋势保持同步。速度和推力在稳态式供给和脉冲式供给中都存在高于起动阶段稳定值的尖峰,在稳态式供给中,速度和推力尖峰分别高出起动阶段稳定值的8.6%和4.7%,在脉冲式供给中,第1次脉冲阶段,速度和推力尖峰分别高出起动阶段稳定值的6.2%和3.0%,第2次脉冲阶段,速度和推力尖峰分别高出起动阶段稳定值的9.3%和5.2%。

新型硝酸羟铵类单组元推进剂的研制和试验

一组对环境有利的新型单组元推进剂已被确定用于取代无水肼。这组新型单组元推进剂是以硝酸羟铵([N^+H_3OH]NO_3^-)为主要成份的混合物,适合用于推力室和燃气发生器。与无水肼相比,硝酸羟铵混合物密度和比冲比较高,冰点比较低。这组推进剂比较安全,因而降低了地面使用维护成本。美国宇航局路易斯研究中心正在研究硝酸羟铵推进剂的配方,并且设计用于小卫星的发动机。采用试验推力室和模拟飞行状态的推力室,对不同配方的硝酸羟铵进行了热试。推力室的结构材料与无水肼推力室的材料完全一样,只是催化剂不同。硝酸羟铵推力室稳态和脉冲工作数据表明,硝酸羟铵推进剂完全可以取代无水肼和冷气推进剂,用于空间飞行器和其它航天任务上。本文综述了目前有关硝酸羟铵推力室设计规范、推力室研制的进展情况、稳态和脉冲工作试验结果。另外,从推动目前单组元发动机的技术水平出发,提出了在推力室研制过程中所面临的一些具有挑战性的问题。

HAN基单组元推进剂热分解过程的分子动力学模拟

为揭示非催化点火方式的硝酸羟胺(HAN)基单组元液体火箭发动机内推进剂的反应机理,采用分子动力学模拟方法,在ReaxFF/lg力场下对HAN基推进剂热分解机理及配方影响作用机制开展研究。计算结果表明:推进剂热分解过程存在两个阶段。第一个阶段为吸热阶段,推进剂内硝酸羟胺和硝酸肼氢键断裂,分解生成羟胺、肼和硝酸,吸热阶段主要受推进剂内氢键个数影响;第二个阶段为推进剂分解反应阶段,由硝酸和羟胺的分解所引发,生成NH_(2)、NO_(2)和OH。OH为主要的氧化性物质,与肼、甲醇反应,生成大量的水。肼在推进剂中的分解主要依靠与OH反应脱氢,生成N_(2)H_(3),并最终分解形成N_(2)和H_(2)。推进剂配方仅对与OH的反应有显著影响。降低甲醇的含量,能够显著提升燃料的反应速率,同时促进肼分子的反应脱氢,提高推进剂初始分解速率;提高硝酸羟胺的含量能够促进甲醇的分解,但受肼分解反应速率较低的影响,推进剂整体分解速率降低。

Ir(100)面上HAN催化分解反应机理

为揭示单组元液体火箭发动机内硝酸羟胺(HAN)基推进剂的催化分解反应过程,采用从头算算法确定HAN及其缔合物结构,利用密度泛函方法对稳定的HAN双分子缔合结构在Ir(100)面上的初始催化分解反应机理开展研究。计算结果表明:HAN分子是由双点位氢键结合而成的,其缔合结构主要是依靠分子间的氢键作用而成的。HAN双分子缔合结构在Ir(100)面上共存在有3种吸附结构,其中通过O与Ir键合作用形成吸附结构较为稳定,吸附能分别为-1.64 eV和-2.15 eV,而氢键作用结合的吸附结构的吸附能仅为-1.12 eV。HAN双分子缔合结构在表面发生的分解反应为放热反应,双分子缔合结构中2个HAN分子的分解反应发生存在先后顺序,不同的吸附构型对应不同的分解产物。在羟胺吸附结构中,其分解产物为HAN、NO_(3)^(-)、OH和NH_(3),而在硝酸根吸附结构中,其分解产物为HAN、NH_(3)OH^(+)、O和NO_(2)。两种吸附构型下的分解能垒分别为12.68kcal/mol和11.30 kcal/mol,在催化分解反应过程中这两种分解反应会同时发生。

200 N推力装置上肼类分解催化剂的应用性能

研究制备了一种单组元姿轨控发动机用肼类分解催化剂,采用200 N推力装置对其应用性能进行了研究和考察。在催化剂物化性能指标满足应用要求的基础上,利用200 N推力装置通过力学环境试验考察了催化剂力学环境适应性,通过双-10℃低温冷启动、低温稳态及脉冲、正负拉偏以及脉冲寿命热试考核程序考察了自制催化剂的低温冷启动性能、低温稳态性能、常温正负拉偏稳态性能以及脉冲寿命性能。结果表明:该催化剂肼催化分解效率在99%以上,机械强度高且力学环境适应性良好,具有较高的肼催化分解活性和稳定性,能够在200 N推力装置上于双-10℃正常启动,顺利完成了低温稳态、常温正负拉偏和脉冲寿命等考核程序,发动机室压平稳,响应特性良好,脉冲一致性好,可满足推力装置的使用要求。