130吨级液氧煤油发动机重复使用技术研究进展

130吨级重复使用液氧煤油发动机是某新型重复使用运载火箭的一子级主动力装置,满足火箭一子级垂直起降重复使用需求,具备两次点火起动、低入口压力二次起动、快速推力调节和健康监测等功能,并已完成多次重复使用试车考核,通过热试车初步验证了重复使用火箭发射和回收等飞行任务剖面。研制团队继承了120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机的成熟技术和可靠性成果,提出发动机健康管理、寿命评估和维护维修等重复使用技术需求和发展方向,130吨级重复使用液氧煤油发动机能够快速满足我国垂直起降重复使用运输系统需求。

我国液氧煤油发动机技术发展概述

液体火箭发动机是运载火箭、航天器等航天装备的基础与核心,是影响航天活动成败的关键因素。近年来,高密度发射现状、低成本发射竞争等因素正成为新的发展态势,液体动力随着运载火箭发射需求的变化,经历了由有毒推进剂到绿色无毒推进剂的发展历程,并进一步向重复使用的方向发展。随着新一代液体动力的成功应用,我国进入绿色航天和大运载时代,液体动力设计、材料、工艺、测控、故障诊断等技术的进步和突破,也逐渐为重复使用运载器动力研制奠定技术基础。

大推力液氧煤油发动机推力深度调节仿真分析

针对大推力补燃循环液氧煤油发动机35%~100%推力深度调节的需求,建立了发动机系统仿真模型,开展了燃气发生器燃料路和氧化剂主路联合调节方案与调节特性研究。通过试车数据验证了模型的准确性;选择了三工位液氧主阀的节流工况和流阻参数,根据各工况稳态参数拟合了调节函数,通过仿真分析了调节过程动态特性。研究结果表明:当燃气发生器温度低于额定值56%时,将液氧主阀流阻系数提高至额定值的15倍,可以保证调节过程中燃气发生器温度高于稳定燃烧下限温度;拟合的调节函数能够实现偏差不超过3%的推力调节与混合比保持;应尽量降低液氧主阀节流速率,并使其与推力调节速率匹配,以降低节流过程的冲击振荡。

液氧煤油发动机知识分类模型及自动分类标记平台设计

采用自然语言处理技术提取文档特征,运用规则知识库与神经网络模型,在对液氧煤油发动机技术原有文件资料人工知识分类标记的基础上,实现新增技术成果所属的专业分类、知识分类、专业技术分类、关键技术分类等维度的自动分类标记,形成智能化、常态化知识资源自动积累机制,能够保障液氧煤油发动机文件资料的分类积累,为设计创新提供借鉴和参考。

我国新一代载人火箭液氧煤油发动机

分析了国内外载人火箭主动力的发展情况与发展趋势,介绍了我国1200 kN和180 kN两型液氧煤油发动机的研制历程、系统组成、工作原理、性能参数、关键技术和应用情况。两型发动机突破了补燃循环、自身起动、大范围工况调节、高效稳定燃烧、高压推力室冷却、反力式涡轮、大范围轴向力平衡、低温高DN值轴承、组合式涡轮泵密封、大直径低温阀、高精度调节器、推力矢量控制等关键技术。目前,两型发动机研制工作已基本完成,将成为我国新一代载人火箭的动力组合,实现我国航天主动力的更新换代。

液氧煤油火箭海上发射基本方案及关键技术分析

海上发射火箭在提升火箭运载能力、降低残骸坠落风险等方面具有极大优势。我国已成功实施多型固体火箭海上发射任务,相比固体火箭,液氧煤油火箭具有更高的比冲和环保性。根据液氧煤油火箭陆基发射的特点规律和固体火箭海上发射任务流程及实施方案,研究了海射系统港口基地、海上发射船、运载火箭、保障船等运行的基本方案,提出海上发射任务实施流程,分析了牵制释放、连接器零秒脱落和自动对接、无人值守推进剂加注技术在海上发射火箭中的重要意义,以及需要解决的关键技术难题。

液氧/煤油补燃火箭发动机氧路低频动特性分析

液体火箭发动机氧路系统低频动特性研究是进行运载火箭POGO振动分析和判别的必要工作。以某型液氧/煤油补燃循环火箭发动机为研究对象,采用模块化建模方法建立了基于自动控制理论的发动机氧路系统线性小偏差的传递矩阵模型,分别对发动机氧路系统和试车台氧化剂输送系统动特性进行数值仿真,并对比分析了试车数据和仿真结果。研究表明,数学模型和计算方法具有一定的正确性;熵波对系统的低频动特性有一定影响。

液氧/煤油补燃火箭发动机整流栅应用研究

介绍了液氧/煤油补燃火箭发动机整流栅的各种结构,简要叙述了空气吹风模拟试验研究方法与研究结果。利用Fluent软件对燃气弯管内流场进行了数值模拟,分析其流动与压力分布。建立了发动机整流栅声学特性的计算模型,采用变步长四阶龙格-库塔数值逼近方法计算声导纳,并对整流栅抑制高频燃烧不稳定性的机理进行了初步探讨。结果表明,整流栅除了影响燃气入口总压的均匀性之外,还可起到抑制高频燃烧不稳定性的作用。

“长征五号”火箭液氧煤油发动机总体技术

高压补燃液氧煤油发动机应用于“长征五号”(CZ-5)运载火箭助推模块,该发动机采用高压补燃循环,具有高性能、自身起动、大范围推力和混合比调节、结构紧凑等特点。回顾了“长征五号”助推液氧煤油发动机研制历程和技术方案特点,分析了液氧煤油发动机自身起动点火技术、双机并联大时差不同步关机技术、单机和双机并联发动机整机结构低频特性等研制中的发动机总体技术。提出了YF-100液氧煤油补燃发动机性能提升、结构轻质化、可靠性增长和全任务剖面环境适应性的改进方向,以及对高精度发动机在线故障诊断系统的需求。

泵压式氢/氧液体火箭发动机质量分析

在文献资料研究的基础上,根据泵压式氢/氧液体火箭发动机的实际特点,考虑发动机性能参数及结构尺寸等影响因素,利用理论推导、统计学及面密度等方法建立发动机质量模型。通过对SSME、RD-0120等8台氢/氧发动机质量的计算,验证了质量模型的合理性。为发动机在系统方案论证时,其质量、性能等参数的估算和优化奠定了基础。

液氧／煤油液体火箭发动机的应用与发展前景

液氧／煤油液体火箭发动机的应用与发展前景张贵田Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＬＯＸ／ＲＰ－１ｌｉｑｕｉｄｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｒｏｃｋｅｔｅｎｇｉｎｅｉｎｔｈｅ...

液氧煤油发动机低工况低频频率特性研究

针对试车中的发动机低工况低频振荡问题,建立了系统各组件的线性化小偏差频域模型,利用解复矩阵的状态空间法对发动机低工况低频频率特性进行了研究,并计算了燃气发生器燃烧时滞和喷注压降、流量调节器弹簧刚度对发动机频率特性的影响,结果表明数学模型和计算方法具有一定的正确性。发动机低工况低频振荡源头为燃气发生器,向上游通过推进剂供应系统传播,并且通过涡轮泵转速传递导致整机参数均有所体现。燃气发生器燃烧时滞越大,频率越低,幅值越高。系统频率对燃气发生器煤油喷注压降更为敏感,燃气发生器喷注压降越大,系统频率基本不变,幅值越低。流量调节器弹簧刚度越大,系统频率基本不变,幅值越高。

开式循环液氧煤油发动机推力调节特性分析

以开式循环液氧煤油发动机为研究对象,重点建立了冷却套传热模型,并嵌入发动机系统静态模型,通过试车数据验证了静态模型的准确性。通过静态调节仿真计算,对比5种不同推力调节方案的特性。结果表明:氧副路调节方案和涡轮燃气分流方案不能满足要求;主路节流方案、副路双路调节方案和氧副路双工位阀+燃料副路调节器方案均可以实现发动机推力的大范围调节;综合考虑调节元件的设计难度和发动机应用需求,氧副路双工位阀+燃料副路调节器方案有望在工程研制中得到应用。

世界首台液氧煤油旋转爆震火箭发动机全尺寸样机试验成功

俄罗斯先期研究基金会对世界首台液氧煤油旋转爆震火箭发动机全尺寸样机进行了33次点火试验，验证了旋转爆震火箭发动机的技术可行性。发动机实现连续爆震，产生稳定推力，发动机工作频率达20千赫兹。

液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型及计算机模拟

本文提出了一个通用的液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型.模型采用多流管压力耦合方法,并考虑了推进剂液滴剥离、高压超临界燃烧和液膜冷却等对发动机燃烧过程的影响.利用本模型对液氧/丙烷发动机燃烧过程的计算模拟表明:本模型为液氧/烃发动机燃烧过程的模拟和性能预估提供了一个有效的理论工具.

液氧/甲烷液体火箭发动机燃烧研究最新进展

近来,俄罗斯和欧洲正在联合进行一个名为“VOLGA”的研究计划。其主要目标是用于可重复使用运载火箭或大型助推器的液氧/甲烷发动机的概念研究。SNECMA 的主要工作是研究预燃室/燃气发生器的可重复使用技术,在液氧/液氢“火神”燃气发生器研制过程中,获得了很多低温推进剂的燃烧经验,但液氧/甲烷富燃燃烧带来了许多新的问题:如喷注性能、燃烧效率、稳定性、积碳形成等。为了解决上述问题,目前正在进行实验和理论两方面的研究。ONERA 的马斯喀特(Mascotte)试验装置就被改造用于研究甲烷的燃烧。最初的研究完成了对低混合比和压力范围在0.1MPa 到6.0MPa 下的液甲烷和气甲烷同轴喷注技术的评估。各项研究在继续进行,以求对液氧/甲烷低温燃烧问题进行完整的描述和理解。除了上述研究外,还在进行计算流体力学数值模拟工具的更新工作,但是只有一些非常特殊的工况点才需要进行修改工作,这是因为过去的火箭发动机燃烧研究工作已经对液氧/液氢低温燃烧特性有了深入的理解,有很多研究成果可用于液氧/甲烷燃烧研究。目前的主要问题集中在甲烷的高频燃烧稳定性和燃烧化学效应方面。在一个称为INCA 的新的燃烧研究计划框架内将对这些问题进行研究。

液氧煤油火箭发动机排放预冷数值仿真

针对预冷过程中输送系统和发动机流道内沸腾传热和两相流动过程,建立一维二流体模型。以某液氧煤油发动机为原型,对不同气枕压力、排放管径和空中排放时间条件下排放预冷过程进行仿真,分析进出口温度以及流量特性的变化情况,结果表明增大排放管径和排放压力均可以增强预冷效果,而空中排放预冷时达到同样预冷效果所需的推进剂量则与管径大小无关,并且预冷效果受到地面状态的影响。

液氧甲烷发动机发展现状

液氧甲烷发动机使用维护便捷、成本低、性能高,是重复使用火箭动力的发展方向。首先,介绍了液氧甲烷发动机的发展情况,包括美国的猛禽发动机和BE-4发动机、俄罗斯的RD-162发动机以及欧洲的普罗米修斯发动机等;总结了中国在液氧甲烷发动机领域的研究工作;介绍了蓝箭航天80吨级液氧甲烷发动机及200吨级液氧甲烷全流量补燃循环发动机。然后,分析了液化天然气中甲烷含量对液氧甲烷发动机的影响及火箭发动机用液化天然气的优选情况。最后,指出了液氧甲烷发动机的关键技术和发展方向,建议研发大推力重复使用液氧甲烷全流量补燃循环发动机。

液氧煤油发动机高压推力室冷却技术

针对液氧煤油发动机高室压推力室冷却技术,讨论了多条内冷却环带、人为粗糙度、内壁铣槽结构和隔热镀层等主要技术措施。对带人为粗糙度的平直通道内流动进行了二维和三维时均流数值模拟,分析了人为粗糙度局部强化换热机理。对多条液气膜冷却环带进行了数值模拟,分析了内冷却流量对冷却的影响。研究结果表明,合理设置人为粗糙度和采用冷却环带技术可有效降低推力室局部气壁温,以煤油为冷却剂的高压推力室冷却方案应以再生冷却结合多条液气膜冷却技术为主,综合采取人为粗糙度、高导热材料、隔热镀层等技术措施。

载人登月主动力——大推力液氧煤油发动机研究

大推力液氧煤油发动机是航天运载主动力的发展方向,是载人登月等重大航天活动的动力基础。提出了我国载人登月主动力—600吨级双推力室液氧煤油发动机的发展设想,并提出了该发动机补燃循环、泵后摇摆等总体方案,选择了发动机主要参数,进行了总体布局设计,梳理了关键技术,探讨了其用途。这将大幅提升我国进入空间的能力,以满足我国载人登月和深空探测等重大航天活动的动力需求。