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液氧煤油發動機

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氧/煤油高壓補燃發動機研製工作已獲批准並已列入國家「863」計劃。近幾年來重點進行了技術方案論證和關鍵技術研究,並於1995年12月~1996年1月用試驗型動機進行了兩次熱試車,進一步研究並初步掌握了該種發動機的起動、關機程序、預冷、吹除及試車后的中和清洗技術。獨聯體國家把液氧/煤油發動機熱試車后中和清洗技術視作「Know How」(技術訣竅),要買此項技術需上百萬美元

1 液氧煤油發動機 -簡介

液氧/煤油高壓補燃發動機研製工作已獲批准並已列入國家「863」計劃。近幾年來重點進行了技術方案論證和關鍵技術研究,並於1995年12月~1996年1月用試驗型發動機進行了兩次熱試車,進一步研究並初步掌握了該種發動機的起動、關機程序、預冷、吹除及試車后的中和清洗技術。獨聯體國家把液氧/煤油發動機熱試車后中和清洗技術視作
「Know How」(技術訣竅),要買此項技術需上百萬美元。

2 液氧煤油發動機 -優越性

液氧/煤油火箭發動機作為運載動力裝置的優越性在於:一是煤油作為常溫推進劑,使用極為方便,安全性好,而甲烷、丙烷、液氫為低溫推進劑,不好貯存,運輸、加註和操作都不方便,泄漏后易起火爆炸,特別是液氫很容易泄漏。二是煤油價格便宜,每千克煤油的價格只有液氫的1/100和偏二甲肼的1/30,可以較大幅度地降低發動機的研製成本和運載火箭的發射費用。發射一顆20T低軌道的有效載荷,如用液氫/液氧和四氧化二氮/偏二甲肼組成的二級半方案推進劑費需3000萬元,而用全液氧/煤油方案只需推進劑費100萬元。三是液氧/煤油組合密度比沖高,是理想的下面級(助推級和芯一級)發動機,稍作改進之後亦可作為比較理想的上面級發動機。四是中國煤油資源豐富,貯量極大,可滿足長遠的需要。

1、先進的閉式循環系統。該系統能充分利用燃料的化學潛能。補燃發動機也稱為分級燃燒發動機,該系統先把推進劑的一組元在預燃室中進行富氧(或富燃)燃燒,生成低溫大流量的燃氣驅動渦輪,然後將工作過的燃氣引入燃燒室進行完全燃燒。它避免了開式循環系統渦輪排氣的能量損失。閉式循環發動機可較大幅度提高燃燒室壓力,進而提高燃燒效率,僅採用閉式循環系統就能提高比沖6%以上。對二級半火箭來說,當起飛質量相同時,有效載荷能提高30%以上;假若有效載荷相同,運載火箭起飛重量可降低20%。使發射1kg有效載荷的全壽命周期費用降低約16%。用這種發動機的試驗機,於1995年12月~1996年1月進行兩次全系統高壓補燃發動機試車,其真空推力為85T,真空比沖為3500m/s,混合比K在2.34--2.6之間。
2、先進的燃燒室混合噴注器。在補燃循環系統中,氧化劑全部在預燃燒室氣化后,再進入燃燒室進行燃燒,這樣就實現了氣液兩組燃燒,氣液燃燒大大改善了發動機的燃燒穩定性。為了進一步提高燃燒穩定性,用不同長度的噴咀把噴注器分隔成數個區域,氣液噴咀為同軸內混合式,其長度為1/4波長,形成幾百個小聲腔,能夠有效地衰減振蕩;另外在燃燒室上游設置了整流裝置,把不規則的渦輪排氣進行整流后引入燃燒室。高壓補燃循環系統不僅有利於解決技術關鍵不穩定燃燒問題,而且還較大幅度地提高了燃燒效率。我們對噴注器進行了混合霧化試驗,並對發動機進行了熱試車,試驗結果表明: 高壓補燃循環系統的燃燒效率高達0.98。

3、先進而巧妙的燃燒室冷卻措施。幾十年來爭論不休的用煤油作為冷卻劑問題,經過大量的傳熱試驗及計算分析后表明:採取適當的措施是完全可以解決的。用克拉瑪依煤油作燃料進行了工作時間分別為10秒、50秒的兩次試車后燃燒室完好無損,光潔如初,說明用煤油作發動機冷卻劑是完全可行的,效果是相當理想的。在燃燒室的冷卻結構設計上採取了一系列措施: 一是在喉部以前設置了三條冷卻帶,其流量為推進劑總流量的2~3%,煤油進入燃燒室是貼壁向上旋轉式;二是燃燒室噴管從膨脹比為8的截面至圓柱段,用螺旋式冷卻槽,並且喉部附近的冷卻槽加工成波浪形,以便提高其冷卻效果,這樣可使內壁溫度降低40℃左右;三是低溫煤油從收斂段進入冷卻槽,首先冷卻熱流最大的喉部區域,這一舉措可得到40℃溫差的好處。除上述措施外,還在內壁上鍍鎳鉻防熱層可使氣壁溫降低30~40℃,以及選取熱傳導性能好的內壁材料等。上述措施經過熱試車,證明非常有效。
4、可靠的多樣密封。發動機各部件要承受-200℃~3500℃高低溫環境,壓力為150~500個大氣壓,在強烈的振動環境下,發動機的密封問題是一個致命問題。必須因地制宜地設計相應的密封結構。過去我們採用的是法蘭盤間加不同材料的墊片或「O」型圈結構,對於中、小直徑的管路接頭大多用球頭喇叭口結構。這種落後的密封結構遠遠不能滿足高可靠、高性能先進發動機的要求。為此,我們進行了多種密封結構的研究、試驗。低溫液氧的密封用「К」 和「Э」型環,高溫燃氣密封採用了碟型墊,高壓的液體和氣體密封採用球頭加導向,並在球頭上開槽,加不同材料的「O」型圈,還有適用於低溫的碟型墊的密封,其密封壓力達到600個大氣壓也不泄漏。渦輪泵的密封更重要,為適應發動機多次工作,防止磨擦生熱減少磨損而採用了脫開式密封。渦輪不轉動時,為靜密封,當渦輪泵轉速達到預定值時,控制壓力使密封處脫開,這種先進的密封形式大大地提高了可靠性及其壽命。
5、先進的預壓渦輪泵。要使主渦輪泵正常工作,避免發生氣蝕,必須保證泵的入口有一定的壓力。如果泵入口壓力要求高,則火箭貯箱壓力必須提高,這樣就會增加運載火箭的貯箱結構重量。為了降低火箭結構重量、提高運載能力,必須盡量降低泵入口壓力。為此在主泵前設置了一套預壓渦輪泵。從主渦輪后抽取一股富氧燃氣作為氧化劑的預壓渦輪泵工質驅動渦輪,然後排入氧化劑主流中,從主煤油泵后引出的一股高壓煤油作為煤油預壓渦輪泵的工質吹動渦輪,然後排入預壓泵后的主流中。這種預壓渦輪泵系統設計思路新穎、結構巧妙,尤其是富氧的燃氣工作后又進入液氧的主流中,這種設計構思非常大膽,也十分巧妙。目前,預壓渦輪泵已經進行了大量液流冷試,並且成功地進行了發動機的熱試車,採用預壓泵結構可提高主泵前壓力6個大氣壓,而箱壓僅為2個大氣壓。
6、先進的彈性支承。發動機是整個運載火箭的主要振源。工作時發動機各零部件都承受著強烈的振動,有高頻,也有低頻,有些部位加速度高達幾十個g甚至幾百個g。因此,各零部件的連接和固定形式是一個十分關鍵的問題。如一個質量較大的閥門與直徑幾毫米或十幾毫米的導管連接,要承受激烈的振動,在設計上必須要有科學的方法。用完全緊固定支承的辦法防振效果不好,而採用適當的彈性支承,不僅降低了振動量級,而且還有利於解決零部件和發動機的共振問題。另外,為抗振防松,在擰緊各緊固件時,要塗膠。尤其在天地往返運輸系統及載人運載器上,由於運載器可靠性要求極高,抗振防松問題事關重大,必須確保萬無一失。為此,我們已進行了大量研究試驗。

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