液体火箭主发动机结构动力学关键问题研究综述

液体火箭主发动机作为运载火箭的主动力,由于其结构的复杂性、服役环境的极端严苛性,导致发动机的结构动力学问题异常突出。动力学问题已成为发动机研制过程中的瓶颈技术之一,因此为改善运载火箭、发动机的振动力学环境,提高发动机的动强度可靠性与工作安全性,需要对运载火箭“心脏”——发动机的结构动力学问题予以充分的重视。本文在详细介绍发动机结构特点、工作环境载荷特征及对结构故障统计的基础上,深入分析了涡轮泵系统、推力室、自动器、管路、发动机整机的主要故障模式,梳理出各部组件、整机结构的动力学关键问题,并指出后续研究的方向。

航天液体动力关键技术研究进展与趋势

航天液体动力是一个国家科技实力的重要体现,更是国家安全的重要保障。随着我国航天任务的蓬勃开展,频次日益增加的太空探索活动对航天液体动力提出了更高的需求,航天液体动力的一系列关键技术亟待突破。本研究从液体火箭发动机的系统构成和工作原理介绍开始,系统阐述了航天液体动力的若干关键技术及其研究最新进展;在此基础上,归纳了液体动力技术的发展趋势,并考虑多学科交叉共融发展,对实现关键技术突破的技术路线进行了展望,以期为未来的航天液体动力发展提供参考。

以推进业财融合为导向的项目全周期预算管理研究——以航天DLJS所为例

继新版军品订价议价规则的出台,国家通过对科研项目经费管理体制进行改革,大力推进竞争性装备采购。为了适应外部环境形势的变化,军工企业纷纷开始进行整体战略转型以提高企业应变能力和盈利能力,这对企业财务管理能力产生了更高的要求。本文将以航天DLJS所为研究对象,对该所项目全周期预算管理呈现的问题进行阐述,深入分析项目全周期预算管理与业财融合的内在联系与实现方法,通过项目全周期预算管理这一管理会计工具与业务流程的深度融合进行科研项目经费的全过程管控,寻求科研项目预算管理执行的主要抓手,刺激科研项目管理的全员性内生动力,提高企业的市场竞争力。

重复使用运载火箭液体动力技术发展

重复使用是未来运载火箭更新换代的技术发展趋势,是降低航天发射成本、实现规模化航天发射的有效途径。重点概述了国内外垂直起降重复使用运载火箭动力技术的发展现状,分析了垂直起降重复使用运载火箭发射和回收全任务剖面,总结了垂直起降重复使用运载火箭动力技术的特点,包括宽范围入口压力多次启动技术、大范围快速高精度推力调节技术、故障诊断及健康管理技术、状态检测与维修维护技术等。

航天液体动力技术发展水平评价体系初探

航天动力系统是航天装备的“心脏”,是太空活动的重要基础和核心保障,航天动力技术发展水平直接关系到国家进出空间、探索空间、利用空间的能力,能否拥有国际领先、成熟可靠的航天液体动力技术,发展性能先进、自主可控的航天液体动力产品,则是我国从航天大国迈向航天强国的重要标志。当前,我国尚缺少规范的、能够对航天液体动力技术发展水平进行科学、量化评价的方法,随着我国建设航天强国脚步的加快,型号任务的不断增加和型号需求的不断扩充,迫切需要建立起一套科学合理、要素完善的航天液体动力技术发展水平评价体系。

新型两性离子粘土稳定剂的制备及其性能研究

以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为反应单体,以过硫酸胺、亚硫酸氢钠为引发剂,制备了一种新型的两性离子粘土稳定剂,并采用红外光谱对其结构进行了表征。结果表明,在40℃下,当引发剂加量为0.55%,AM∶AMPS∶DMDAAC∶NVP物质的量比为160∶20∶13∶2,反应时间为3 h时,所制备的四元共聚物AM/AMPS/DMDAAC/NVP防膨率可达90.74%,具有良好的耐温耐盐性及耐酸碱性能,可以有效防止粘土水化膨胀、分散运移,有利于降低采油成本,在油气田领域具有良好的应用潜力。

液氧涡轮泵阻尼密封设计与动力学特性研究

为评估进口高预旋对动密封性能的影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“虚拟旁路边界”计算模型和动密封非定常流体激振数值预测方法。针对某型液氧涡轮泵离心叶轮前凸肩动密封,开展了迷宫、蜂窝和孔型阻尼密封方案设计、性能比较和深度变推力发动机涡轮泵密封动力学适应性研究,比较了液氧涡轮泵额定工况下3种动密封方案性能,计算分析了6种发动机推力负荷(10%~100%)、高进口预旋(预旋比为0.77)下孔型阻尼密封的泄漏量和转子动力特性系数。结果表明:在额定工况下,相比于迷宫密封,蜂窝和孔型阻尼密封具有更优的封严性能(泄漏流量分别减小了17.9%和17.5%)和动力学性能(同步频率下有效阻尼分别增大了180%和87%,穿越频率从661 Hz分别减小到了287 Hz和275 Hz);在发动机深度变推力工况下,孔型阻尼密封具有较大的同步频率有效阻尼;受高进口预旋的影响,有效阻尼的穿越频率随推力负荷的增大而显著增大(从50 Hz增大到430 Hz),减小了密封提供正阻尼的抑振频率区间;在大推力工况下,可通过在密封入口设置防旋板等止旋装置减小预旋、提高转子稳定性。

固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题,设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机,开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明:掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象,为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置,将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率,本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。

重复使用火箭发动机推力室疲劳寿命研究进展

再生冷却推力室内壁的热-机械疲劳失效严重影响重复使用液体火箭发动机的可靠性和使用寿命,疲劳分析在内壁损伤机理研究、寿命预测和结构优化设计中具有重要作用。简要回顾了推力室再生冷却结构热-机械疲劳分析方法的发展历程,重点围绕材料本构关系、热-力响应计算和疲劳寿命模型,对比梳理已有方法,讨论其特点及应用。基于研究进展与工程需求,从全服役周期瞬态载荷环境、材料本构关系、热-机械损伤模型及验证、基体与涂/镀层耦合失效分析和基于有限数据的工程方法等方面给出了进一步研究的方向和建议。

固体火箭发动机真实热环境下EPDM绝热层烧蚀计算与试验研究

基于Hertz弹性碰撞理论和Thornton弹塑性假设,导出了粒子碰撞炭层过程中的压痕硬度理论表达式,根据弯管试验数据和试件扫描电镜分析提出了临界速度模型,对于三元乙丙橡胶(EPDM)炭化后形成的多孔炭化结构,结合裂纹侵蚀理论提出了两相流非完全弹性碰撞多孔炭化层体烧蚀计算模型。设计了用于验证烧蚀计算模型的模拟发动机旋转过载试验,保证了模拟发动机和真实发动机的天地一致性。结果表明:在模拟发动机真实飞行过程的热环境下,计算结果与实测结果能够基本吻合。研究结果对固体火箭发动机绝热结构的设计具有工程指导意义。

UDMH/NTO富氧燃气发生器预点火过程模型研究及应用

对富氧燃气发生器中偏二甲肼/四氧化二氮(UDMH/NTO)推进剂的自燃点火特性开展实验研究,结果表明,燃气发生器点火初期能量低,燃气温度缓慢爬升。基于实验结果和化学机理分析,构建了描述UDMH/NTO自燃推进剂在富氧环境下预点火过程的热力学模型,并将其应用到实验系统的系统级仿真模型中。实验结果验证了仿真模型的合理性,动态相对误差小于15%,主要差异在于燃气发生器压力“平台段”的仿真值偏低。在此基础上开展仿真研究,结果表明:初始参数变化明显影响点火初期的性能参数爬升特性,其中延长点火时差至2倍、将入口压力降低0.05 MPa或者将推进剂温度降低15℃均会导致发动机起动加速性降低25~50 ms,而提高入口压力和缩短点火时差可以减轻推进剂温度变化对性能参数爬升特性的影响程度。

液体火箭发动机热试车启动中导流锥对燃气管路流动特性影响研究

双推力室液体火箭发动机启动过程中,若出现两支管流量分配不均等现象,极易引起点火失败,造成重大损失。因此,燃气管路分叉处内部流动特性和在分叉处布置导流锥对改善流动特性影响的研究具有重要意义。本文针对某双推力室液体火箭发动机热试车启动过程中的燃气管路,以试验数据作为边界条件,开展了瞬态流动数值仿真研究。结果表明,火箭发动机热试车启动过程中,燃气管路流动呈现出4个典型阶段,分别为点火前的平稳期、点火后的一次上升期、下降期和二次上升期。在启动过程中,无导流锥时,导流罩进口存在预旋回流区、一侧出口存在滞止回流区,导流罩与燃气支管衔接处内侧存在转弯回流区,三者相互作用是造成两支管间压力分布不对称及出口质量流量分配不平衡的主要原因;有导流锥时,预旋回流区被导流锥约束而缩小,滞止回流区消失。有导流锥与无导流锥时相比,在启动过程中约0.2 s与0.6 s时刻,两支管对称测点压差均值分别降低约80.0%与80.0%,两支管出口质量流量差值分别降低约55.0%与80.8%。导流锥有效改善了流动特性,使得两支管压力分布的对称性提高,流量分配平衡性增强。导流锥对双推力室液体火箭发动机稳定性提高有重要作用。

烧蚀型热防护系统概率设计与可靠性评估方法研究

为在保障热防护系统可靠性的前提下减轻重量,本文建立考虑多源不确定性的烧蚀型热防护系统的概率设计和可靠性评估方法。采用有限元方法计算系统热响应,通过试验测试与数值模型对比验证方法的有效性。并构建热防护系统的不确定性输入参数与目标输出的代理模型,基于代理模型与蒙特卡洛方法进行热防护系统目标变量的概率特性分析。采用Sobol指标对不确定性参数进行灵敏度分析,并以系统可靠性为指标进行概率设计。该方法针对来流、几何以及材料属性等多源不确定性进行热防护系统的概率设计与可靠性评估,以二维平板模型为例,计算热防护系统最高背温的概率特性以及不确定性参数的灵敏度,得到了不同涂层厚度情况下系统的可靠性。结果表明,与安全系数 n =1.5的设计相比,概率设计减重达到24%。

液体火箭发动机涡轮泵管式扩压器时序效应数值研究

为分析管式扩压器的时序效应对高速涡轮泵性能以及压力脉动的影响并阐明其影响机制,对某液体火箭发动机高速涡轮泵全流域进行三维定常和非定常数值计算,研究了管式扩压器时序效应对涡轮泵外特性的影响规律,采用熵产理论对涡轮泵内部的能量损失进行分析,并通过压力脉动均方根方法对涡轮泵内的压力脉动进行评估。结果表明:随着管式扩压器叶片与蜗壳隔舌夹角的增大,涡轮泵效率和扬程整体趋势均为先升高后降低,两者的变化幅度分别为0.75%、1.68%,当管式扩压器叶片吸力面出口边与蜗壳隔舌的夹角为20.5°、25.5°时,涡轮泵具有较好的性能,其影响机制由蜗壳隔舌下方的扩压管出口附近涡流和能量损失变化决定。动静干涉效应是涡轮泵内压力脉动的主要原因,时序效应对涡轮泵出口和蜗壳隔舌附近压力脉动的变化幅度分别为37.7%、67.6%。蜗壳流道内压力脉动的最大值位于蜗壳隔舌下方扩压管出口区域,时序效应对压力脉动最大值的变化幅度为20.5%。研究结果可为液体火箭发动机涡轮泵性能和振动的优化提供一定的参考。

旋转爆震波传播频率与燃烧室切向声学频率对比的实验研究

为验证旋转爆震波与燃烧室高频切向不稳定燃烧现象是否存在一致性,分别基于宽11 mm的环形燃烧室和圆柱形燃烧室,以乙烯为燃料,以富氧空气(体积分数33%、50%和100%)为氧化剂,通过改变氧化剂的供给流量和当量比开展实验研究。研究发现:在环形燃烧室中,通过改变氧气体积分数得到了不同的旋转爆震波传播模态:当氧气体积分数为33%时为双波对撞模态,爆震波速度亏损为37%~63%,且双波传播频率低于燃烧室二阶切向声学频率;当氧气体积分数为50%和100%时,分别得到了单波和双波传播模态,爆震波速度亏损减小至14%~40%,且单波模态爆震波传播频率高于燃烧室一阶切向声学频率,双波模态爆震波传播频率高于燃烧室二阶切向声学频率。在圆柱形燃烧室中,当氧气体积分数为50%时得到了单波模态,部分工况下爆震波传播速度高于理论C−J速度,且氧化剂流量越大,这一趋势越明显,大部分工况下旋转爆震波传播频率均高于燃烧室的一阶切向声学频率。上述研究表明旋转爆震波传播频率与燃烧室切向声学频率的数值大小和变化规律均不相同,说明旋转爆震波与高频切向不稳定燃烧现象并不存在一致性。

MEMS正装传感器复合钝化层高温可靠性的研究

绝缘体上硅(SOI)所制备的压阻式正装压力传感器可在高温下良好工作,但高温环境下电阻条和金属引线长期暴露在环境中易受到氧化和腐蚀,对传感器的输出造成影响,使电学性能发生变化甚至失效,为避免这种情况,通常在表面进行钝化处理。文中采用SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层对SOI正装传感器芯片进行钝化,并且对钝化层进行高温老化考核,模拟高温和恶劣环境,验证其高温可靠性。实验结果表明:按照SiO_(2)厚度为200 nm、Si_(3)N_(4)厚度为300 nm的SiO_(2)-Si_(3)N_(4)复合钝化层能在350℃高温下对正装传感器进行有效保护且电学性能完好,满足芯片在高温下可靠性的要求。

二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度研究

为了研究内收缩比和来流马赫数对二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度的影响规律及失稳机制,采用二维非定常仿真方法研究了内收缩比(ICR)为1.04~1.25的进气道在来流马赫数Ma0为2.4的条件下,以及内收缩比为1.08的进气道在来流马赫数为2.2~2.8条件下,其由稳态向失稳状态转变的过程。研究结果表明:(1)当Ma0=2.4时,在1.04≤ICR≤1.12内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度ζ减小;1.16≤ICR≤1.25内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度增大。(2)在内收缩比为1.08的条件下,马赫数变化引起的分离激波角和分离包再附压升两个关键因素变化共同主宰着进气道亚临界稳定裕度的变化趋势。(3)总体上,根据稳定亚临界初始状态的三相点无量纲高度?b是否大于1可将进气道的亚临界稳定裕度变化情形分为两类,当?b<1时,ζ随着?b的增加而减小;当?b> 1时,ζ随着?b的增加而增加。

LaMO_(3)(M=Mn、Fe、Co、Ni)的制备及储锂性能研究

镧基钙钛矿型氧化物因其理论容量高、制备简单、原材料丰富等优点深得科研人员的青睐,但是这类材料仍然存在不足,即容量易衰减,电导率低,在脱嵌锂过程中大的体积效应。本文采用简单的溶胶凝胶法制备不同B组分的钙钛矿氧化物,分别制备了LaMO_(3)(M=Mn、Fe、Co、Ni)钙钛矿氧化物材料。采用X射线衍射仪测试样品的晶体结构,使用Rietveld方法对XRD数据进行精修处理,采用场发射扫描电子显微镜观察样品的形貌和微观结构,最后将电极材料组装成CR2032扣式电池来评价电极材料的电化学性能,采用多种电化学测试手段分析各自的电化学性能。研究发现,由溶胶-凝胶法制备的镧基钙钛矿氧化物的粒径大小不同,电化学性能有所差异。其中,LaNiO_(3)纳米颗粒在500 mA·g^(-1)电流密度下循环500周后放电比容量达到了573.8 mAh·g^(-1),并且曲线更平稳且呈持续增长趋势。即使在5 A·g^(-1)的大电流密度下,放电容量仍然能达到146 mAh·g^(-1),明显高于其他三种材料。最后,本文总结了LaNiO_(3)电化学性能优异的原因。

外源激励作用下火箭发动机输流管路振动特性研究

液氧煤油火箭发动机中煤油输送管路除受到管内高压流体自激激励外,还受到外来压力脉动、发动机主体振动等外源激励,因此经常发生强烈振动,已严重威胁火箭发动机安全。该研究建立了包含波纹管、多段弯管和其他附属结构的三维管路模型,采用双向流固耦合方法,对输送管路的振动特性进行研究。研究结果表明,管道低频振动由流体自激的压力脉动引起,高频振动源于发动机主体振动,而外来压力脉动激励对管道振动无明显影响。另外,可视化结果表明热试车工况下,管道振动剧烈位置主要集中在进出口与两个波纹管之间,而波纹管、弯管和支撑处的应力值较大,是容易结构失效的危险位置,应重点关注。研究结果对发火箭发动机结构优化有积极意义。

基于双向流固耦合方法的火箭发动机输流管路振动研究

火箭发动机的液氧煤油输送管路经常发生异常振动,严重威胁火箭发动机安全,处理不当将使火箭发射失败,造成巨大经济损失,因此必须对输送管路振动进行研究。本文建立了包含波纹管、多段弯管及其他附属结构的高压输送管路三维模型,采用双向流固耦合方法,在外源压力脉动激励作用下,对管路进行了振动研究,并通过热试车试验验证了计算结果的有效性。分析结果表明,同一频率下,振动加速度的幅值分布与流场压力幅值分布有明显的相关性,表明流体压力脉动是引起管道异常振动的根本原因,且随着平均压力的升高,管道的振动加剧。可视化结果表明,管道振动剧烈位置主要集中在中间管道和波纹管处。波纹管、弯管和支撑处的应力应变值较大,是容易发生结构失效的危险位置,应重点关注。