液體火箭發(fā)動機的案例
AMESim軟件在液體火箭發(fā)動機
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AMESim軟件在液體火箭發(fā)動機
系統(tǒng)動態(tài)仿真上的應用
潘輝，張黎輝
（北京航空航天大學宇航學院北京100191）
摘要：根據模塊化建模思想和通用仿真要求，利用AMESim 中的AMESet 平臺二次開發(fā)
出了發(fā)動機系統(tǒng)通用仿真模塊庫，并對不同類型發(fā)動機系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了仿真。研究結
果表明，建模過程簡單明了，操作性及通用性強。通過計算結果與試車曲線對比，驗證了所
采用仿真方法的合理性和正確性。所做的工作為今后液體火箭發(fā)動機通用仿真研究打下了良
好基礎。
展開 再生冷卻式液體火箭發(fā)動機推力室設計CAD技術研究
再生冷卻式液體火箭發(fā)動機推力室設計CAD技術研究學位論文
再生冷卻式液體火箭發(fā)動機推力室設計CAD技術研究.part1.rar
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再生冷卻式液體火箭發(fā)動機推力室設計CAD技術研究.part3.rar
液體火箭發(fā)動機噴管仿真模型
楊建文，男，西安航天動力研究所高級工程師，主要從事液體火箭發(fā)動機流動、傳熱及燃燒相關的理論分析和仿真計算工作。負責和參與重點實驗室基金、民用航天等多個課題，并在核心期刊發(fā)表論文多篇。
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引用格式
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[1]孫得川,楊建文.液體火箭發(fā)動機噴管仿真模型[J].火箭推進,2022,48(02):56-65.
SUN Dechuan,YANG Jianwen.Nozzle simulation model of liquid rocket engine[J].Journal of Rocket Propulsion,2022,48(02):56-65.
編輯：陳一丹
審核：馬杰
文章來源：火箭推進
展開 液體火箭動力系統(tǒng)復用，下一步瞄準哪兒？
近日，我國自主研制的某型液氧煤油發(fā)動機成功完成重復飛行試驗。由此，國內首次實現了液體火箭動力系統(tǒng)重復使用，標志著我國液體火箭發(fā)動機重復使用技術進入工程應用階段。
放眼全球，隨著可重復使用火箭技術日益成熟，技術難點被逐步攻克，各國已掀起新一輪發(fā)展熱潮。那么可重復使用的液體火箭目前有哪些型號？未來發(fā)展趨勢又會是怎樣呢？
回收復用難關多
液體火箭發(fā)動機作為航天運載器的主要動力裝置，具有性能高、任務適應強、技術難度大、研制周期長等特點，堪稱航天運載器上最復雜的產品之一。因此，液體火箭動力系統(tǒng)重復使用是實現航天運載器重復使用所必須突破的關鍵技術之一。
獵鷹9火箭第一級與第二級分離示意圖（源自網絡）
具體來說，液體火箭發(fā)動機想實現重復使用，需要突破多次啟動、低入口壓力啟動、大范圍推力調節(jié)、狀態(tài)評估檢測及健康管理、快速簡化處理、高溫組件結構抗疲勞壽命評估及延壽、全任務復雜力熱環(huán)境預示及控制等關鍵技術，其研制難度遠遠超過傳統(tǒng)上一次性使用的液體火箭發(fā)動機。
在世界主要航天強國中，美國在可重復使用火箭動力領域的科研實力最雄厚，應用經驗也最豐富。早在20世紀80年代，美國就已經成功研制了能夠重復使用的大推力液體火箭發(fā)動機，并作為航天飛機的主發(fā)動機。
航天飛機的主發(fā)動機使用液氫液氧推進劑，3臺總共提供600多噸的推力，而且推力可在65%~109%范圍內調節(jié)。這樣設計是為了讓航天飛機在點火和初始的上升階段獲得更大的推力，更容易飛起來并加速，而在最后的上升階段，主發(fā)動機會減少推力，便于實現對入軌速度的精確控制。
2011年航天飛機退役之后，美國商業(yè)航天新勢力承擔起“重復使用，天地往返”的重任。其中，SpaceX公司的獵鷹9火箭革命性地實現了入軌級運載火箭第一級回收與重復使用。
2015年12月，獵鷹9火箭首次陸地成功回收一子級。
展開 
烏克蘭一定是窮瘋了，把火箭發(fā)動機售給朝鮮？
朝中社在去年和今年先后公布洲際導彈新型液體火箭發(fā)動機試車的消息，對比朝鮮官方的照片，“火星十二號”導彈第一級使用的就是這種新型發(fā)動機，它由一臺主發(fā)動機外加四臺游動發(fā)動機組成，完全顛覆了此前外界對朝鮮遠程導彈推進系統(tǒng)的猜測。那么這種40噸級的主發(fā)動機到底是怎么“研制”出來的呢？埃勒曼并不相信朝鮮宣傳的“自主設計制作”。
邁克爾·埃勒曼表示，朝鮮不到兩年時間就從中程導彈躍進到洲際導彈，這是前所未有的巨大的成功，即使是美蘇等超級大國在冷戰(zhàn)時期傾舉國之力也不曾如此迅速。
考慮到朝鮮過去在發(fā)展火箭發(fā)動機上的舉步維艱，很難想象朝鮮能夠一夜之間完成技術突破，更可能的途徑，還是獲得了“外援”。
歷史上，朝鮮液體火箭發(fā)動機都來自蘇聯(lián)地區(qū)，而其他航天大國的液體火箭發(fā)動機也沒有類似的型號，因此“火星十二號”導彈的主發(fā)動機最可能的來源還是蘇聯(lián)各加盟共和國。埃勒曼對比了蘇聯(lián)的各種火箭發(fā)動機后，還真找到了源頭：朝鮮“火星十二號”導彈的一級主發(fā)動機就是蘇聯(lián)時代研制的RD-250發(fā)動機。他認為朝鮮很可能從俄羅斯或烏克蘭獲得了一批RD-250發(fā)動機存貨，將其用于生產新的“火星十二號”和“火星十四號”彈道導彈。
▲前蘇聯(lián)的RD-180火箭發(fā)動機
空口無憑，埃勒曼是怎么推斷的呢，從他發(fā)表在國際戰(zhàn)略研究所的報告看，核心就是兩點：推力和尺寸。埃勒曼指出蘇聯(lián)時代研制的RD-217、RD-225和RD-250三種可存儲推進劑的液體火箭發(fā)動機，推力都和“火星十二號”導彈的40噸級相近，但對比外部特征可以排除RD-217和RD-225，而RD-250發(fā)動機卻與之有驚人的相同之處。
展開 液體火箭發(fā)動機噴射器的3D打印設計優(yōu)化
SMILE項目的發(fā)動機噴射器，通過金屬3D打印設計，獲得了優(yōu)異的混合燃燒效率、達到輕質特點且部件數量經過整合后顯著減少，30個零散部件整合為一個整體性部件
挑戰(zhàn)：
為小型衛(wèi)星運載火箭設計制造可重復使用的液體火箭發(fā)動機噴射器
解決方案：
3D Systems魯汶客戶創(chuàng)新中心基于對增材制造豐富的設計經驗，使用金屬3D打印機ProX DMP 320和一種適用于高溫應用的鎳鉻基超耐熱合金LaserForm? Ni718 (A)達成德國航天中心要求。
成果：
· 優(yōu)化零件特性以提高性能
· 將噴射頭部件從30個零散部件整合為1個部件
· 將噴射頭部件重量降低10%
歐盟地平線2020計劃中有個項目名為”歐洲SMall創(chuàng)新發(fā)射器“(也就是SMILE項目)， 旨在設計一種小型衛(wèi)星運載火箭，將小型衛(wèi)星(最多達150千克)送入與太陽同步的軌道。位于德國斯圖加特的德國航天中心結構與設計研究所是14個參與項目的組織之一，并負責開發(fā)SMILE項目。該研究所對液體推進系統(tǒng)的關注是基于系統(tǒng)翻新和再利用的潛力，由此為小型衛(wèi)星發(fā)射器提供更具成本效益的解決方案。
鑒于液氧/煤油發(fā)動機噴射頭部件的高度復雜性，德國航天中心DLR與3D Systems客戶創(chuàng)新中心CIC合作，設計了一個3D打印噴射器，以此來實現新性能。3D Systems公司魯汶中心是全球四個致力于加速先進應用的中心之一，為客戶提供開發(fā)、驗證和商業(yè)化產品所需的資源。
德國航天中心決定采用3D打印噴射頭，他們利用增材制造的關鍵優(yōu)勢，包括采用整體式設計來減少零件數量以及利用集成關鍵功能，如冷卻流道，以此來更好的整體推進系統(tǒng)的性能。
展開 全球13款金屬3D打印的火箭發(fā)動機
南極熊導讀：眾所周知，3D打印技術在航空航天領域的應用越來越火，這其中就包括諸如火箭等大型設備的開發(fā)與制造。那你知道全球有哪些火箭制造商采用了3D打印技術嗎？他們的制造水平又到了何種程度？要知道，大多數航空航天相關企業(yè)已開始進行相關研究，以實現全3D打印的火箭。南極熊在這里就為大家匯總了國內外3D打印火箭發(fā)動機的案例，以供參考。
1、中國深藍航天
2021年7月，深藍航天“星云-M”1號試驗火箭在陜西銅川深藍航天試驗基地完成了“星云-M”1號試驗火箭首次垂直起飛和垂直降落（VTVL）的自由飛行試驗（又稱“蚱蜢跳”），首飛試驗任務圓滿成功。
執(zhí)行本次飛行的“星云-M”1號試驗箭配套了由深藍航天自主研制的“雷霆-5”型液體火箭發(fā)動機（簡稱：LT-5），是國內首型使用3D打印技術制造的針栓式電動泵液氧煤油發(fā)動機?！袄做?5”型液體火箭發(fā)動機真空推力最大為50kN，發(fā)動機能夠實現50%-110%推力區(qū)間調節(jié)；同時，LT-5采用了電動泵調節(jié)推進劑流量，針栓式噴注器可自動維持不同工況下的穩(wěn)定燃燒。目前正在研制中的新型發(fā)動機同樣選擇了經過驗證的3D打印技術和后處理工藝，新交付的發(fā)動機結構部件最大尺寸達到600mm×600mm×600mm。
2、馬斯克的SpaceX
2017年1月14日當地時間，SpaceX在加州范登堡空軍基地成功發(fā)射了一枚獵鷹9號火箭，其中采用了大量的3D打印零件，包括關鍵的氧化劑閥體，3D打印的閥體成功操作了高壓液態(tài)氧在高震動情況下的正常運行。與傳統(tǒng)鑄造件相比，3D打印閥體具有優(yōu)異的強度、延展性和抗斷裂性。并且與典型鑄件周期以月來計算相比，3D打印閥體在兩天內就完成了。
展開 又一款可重復使用3D打印火箭發(fā)動機Aerospike
Pangea Aerospace是一家開發(fā)更高效火箭發(fā)動機的創(chuàng)新公司，Aenium Additive Systems是一家專門從事增材制造技術和復雜材料科學的工程公司，已就先進燃燒室的開發(fā)和工業(yè)化建立了工業(yè)合作伙伴關系，例如 Aerospike 火箭發(fā)動機，專注于先進的 3D 打印工藝和材料。
兩家公司正式簽署協(xié)議，意在突破設計復雜燃燒室，并對不同類型的先進高溫合金進行分析，用于航天領域最苛刻的應用。
Pangea 已將其新型 Aerospike 演示器的研發(fā)、制造和工業(yè)化分配給新組建的團隊，有望在 2021 年底之前進行熱火測試。Pangea 是致力于開發(fā)可重復使用的發(fā)射系統(tǒng)，位于歐洲。此外，該合作將為歐盟市場帶來第一個 GRCop 42 工業(yè)化方案，使其他航天公司能夠通過增材制造獲得最先進的火箭推進技術。
Pangea Aerospace 首席執(zhí)行官 Adrià Argemi 表示，“Aenium 是快速推進計劃的完美合作伙伴，我們很高興與像他們這種尖端增材制造初創(chuàng)公司合作。與 Aenium 的合作不限于在歐洲共享 GRCop42 的能力，GRCop42 是一種專為火箭發(fā)動機開發(fā)的銅材料。Aenium 還在工藝和材料方面帶來了無與倫比的專業(yè)知識和研發(fā)能力。GRCop42 基合金是關鍵解決方案之一，它使我們能夠解決氣釘噴嘴火箭發(fā)動機的熱挑戰(zhàn)。我們現在準備為所有歐洲航空航天部門敞開懷抱。”
GRCop-42 是一種高導電性、高強度合金，用于高熱通量應用，例如液體火箭發(fā)動機和其他燃燒裝置。這種由 NASA 開發(fā)的銅鉻鈮合金專為具有良好抗氧化性的再生冷卻燃燒室和噴嘴所特有的惡劣環(huán)境而開發(fā)。
利用 Aerospike、GRCop42 和3D打印技術，Pangea Aerospace 正在先進制造為火箭發(fā)動機開發(fā)備受追捧的 Aerospike 噴嘴。
展開 從有需求、無設備，到打印全球最大火箭燃燒室，成就航天，也成就3D打印行業(yè)
科學家和工程師在當時的蘇聯(lián)取得如此成績確實令人震撼，其代表產品RD-180至今仍然用于美國阿特拉斯5號的一級火箭。這也是被部分中國航空航天公司關注的重要原因。
不過，盯上他們的不止中國人，成立于2018年、總部位于紐約的航天技術公司Launcher，不久前任命了前烏克蘭?；l(fā)射服務公司Yuzhnoye的液體推進部門副總設計師、火箭科學家伊戈爾·尼先科為首席設計師，其在高性能液體火箭發(fā)動機開發(fā)方面有超過30年的經驗，參與了多種運載火箭推進系統(tǒng)的設計和開發(fā)。雙方都在將增材制造大范圍用于火箭重要部件生產方面富有冒險精神。
展開 世界洲際導彈最新排名出爐：中國東風-41高居第三
采用三枚17萬噸當量的分導式核彈頭，采用三級固體和液體火箭發(fā)動機發(fā)射。
金屬3D打印火箭Terran R可重復！Relativity Space融資6.5億美元擴大生產
△航天科技集團五院529廠為支撐航天器結構制造數字化智能化轉型升級
2020年7月，長征五號運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功點火起飛，奔向火星。這是首款從頭開始設計的運載火箭，而且還采用了50個3D打印機制作的零件。長征五號運載火箭總長約57米，箭體直徑達5米。級間解鎖裝置保護板單批次加工件數較少、加工頻次較低，相比于傳統(tǒng)注塑方式，采用3D打印技術無需開模，一體成型。
△2020年7月，長征五號運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功點火起飛
另外，據說在“天問一號”火星探測器上也使用了超過100個3D打印定制的零部件，其中包含相當一部分的金屬3D打印零件（如鈦合金等），具有高強度耐高溫耐輻射等各種高性能特征，可以滿足在火星惡劣環(huán)境中正常工作運行的要求。
△天問一號
在民營航天方面，2020年3月，北京宇航推進科技有限公司自主研制的滄龍一號液氧/LNG液體火箭發(fā)動機（CL-1）全尺寸渦輪泵完成裝配及交付。這標志著滄龍一號發(fā)動機研制工作將正式邁入系統(tǒng)級調試和測試階段。
△北京深藍航天自主研制的“雷霆-5”（LT-5）液體火箭發(fā)動機
而北京深藍航天自主研制并采用3D打印技術的“雷霆-5”（LT-5）液體火箭發(fā)動機也取得了首次整機變推力長程試車的成功。通過采用3D打印、電動驅控等新工藝、新技術，顯著提高了產品的可靠性和測試維護性以及研制的迭代速度，將主要零部件的生產周期減少到一個月內，從零部件到整機的裝配時間則減少到3小時以內。
雖然南極熊尚未發(fā)現國產完全3D打印火箭的案例，但是非常高興看到越來越多的航天科技公司越來越重視3D打印技術在太空領域的應用。
展開 
載人登月航天器推進系統(tǒng)方案選擇分析
航天器通常選用空間應用成熟度高的液體推進系統(tǒng)，液體推進系統(tǒng)按照推進劑輸送方式主要分為擠壓推進系統(tǒng)和泵壓推進系統(tǒng)，擠壓推進系統(tǒng)方案因其系統(tǒng)簡單可靠的突出特點在航天器中應用最廣泛[4-8]。
在載人月球探測任務中，航天器為運送航天員和載荷逃逸出地球完成月球探測和返回，需要裝載大量推進劑為探測任務提供需要的速度增量。推進系統(tǒng)方案選擇需要考慮技術基礎、系統(tǒng)性能、輕量化、可靠性和安全性等因素[9-14]。本文從推進系統(tǒng)輕量化角度出發(fā)，建立推進系統(tǒng)關鍵組件設計仿真模型，研究分析航天器擠壓和泵壓推進系統(tǒng)質量變化規(guī)律、關鍵影響因素及其應用優(yōu)勢，為載人月球探測航天器推進系統(tǒng)方案選擇提供支撐。
2 擠壓和泵壓推進系統(tǒng)原理及特點
2.1 航天器常用推進劑輸送系統(tǒng)
目前航天器多選用液體火箭發(fā)動機，液體火箭發(fā)動機按推進劑供應方式分為擠壓發(fā)動機和泵壓發(fā)動機，對應的推進劑輸送系統(tǒng)分為2大類:一類是利用增壓氣體進入貯箱直接將推進劑擠壓到液體火箭發(fā)動機入口的輸送系統(tǒng)，簡稱為擠壓推進系統(tǒng)；另一類是利用渦輪泵將推進劑從貯箱抽出，通過泵將推進劑增壓后輸送到液體火箭發(fā)動機入口的輸送系統(tǒng)，簡稱為泵壓推進系統(tǒng)[15]。
2.2 擠壓和泵壓推進系統(tǒng)特點對比
擠壓和泵壓推進系統(tǒng)的優(yōu)缺點如表1所示，擠壓推進系統(tǒng)因其簡單可靠的突出特點，被傳統(tǒng)空間航天器廣泛采用。但隨著空間探測任務的日益廣泛，推進系統(tǒng)性能和質量在航天器中的比重和作用越來越大，同時泵壓推進系統(tǒng)相關技術不斷發(fā)展成熟，性能高、質量輕的優(yōu)勢越來越凸顯，將成為后續(xù)航天器可選可行的推進系統(tǒng)方案。
展開 載入中國商業(yè)航天史的20秒：藍箭航天“天鵲”推力室點火試車成功
圖丨藍箭航天智能制造基地（來源：DeepTech）
制造基地總共分為 5 各區(qū)域，分工明確：
冷態(tài)試驗區(qū)：用于液體火箭發(fā)動機零件、組件的各項性能測試。包括液流試驗臺、氣流試驗臺、低溫軸承試驗臺、低溫動密封試驗臺、閥門高壓試驗臺、液壓試驗系統(tǒng)、真空烘干箱、閥門低溫試驗臺、振動試驗臺、高低溫環(huán)境試驗臺、泵水力試驗臺等?？砷_展百噸級以下推力發(fā)動機組部件的各類性能及典型試驗，也可進行液體火箭組部件的相關性能試驗；
儲箱生產區(qū)：用于火箭貯箱的生產制造，配有大型的攪拌摩擦焊和環(huán)焊設備；
發(fā)動機裝配區(qū)：用于液體火箭發(fā)動機各部件及整機的裝配，保持恒溫恒濕的環(huán)境。包含閥門裝配試驗、渦輪泵裝配試驗、發(fā)動機總裝試驗，其中閥門裝配區(qū)域為 10 萬級潔凈間；
制造檢測區(qū)：用于箭體及發(fā)動機零組件的制造、檢測等；
火箭箭體總裝區(qū)：用于火箭箭體總裝、總測，具有高精度的水平對接裝置。在此完成箭體發(fā)動機的對接、火箭的整件裝配。
圖丨藍箭航天智能制造基地鳥瞰圖（來源：藍箭航天）
目前，藍箭航天智能制造基地基礎設施建設全部完工，發(fā)動機試驗總裝區(qū)域逐步投入使用。今年春節(jié)，天鵲發(fā)動機將進行全系統(tǒng)試車，2020 年，第一臺 80 噸液氧甲烷運載火箭將在這里組裝完成。未來，藍箭航天在湖州的智能制造基地將具備 200 余人辦公生產規(guī)模，到 2022 年，將形成年產 200 臺發(fā)動機，15 枚中型運載火箭的能力。
商業(yè)航天，中國航天
中國航天事業(yè)如今已經走過 60 余載的歲月，結出了豐碩的成果，中國一步步從一窮二白發(fā)展至如今的航天大國。但相比之下，以藍箭為代表的中國商業(yè)航天從 2015 年艱難起步，至今不過 3、4 年的光景。
展開 管路充填的流體力學
第一個階段是t=0到t=0.125秒，在這個階段中NρA du/dt比FρA2u2大，即液體的慣性比其在管道內流動的阻力更重要，容器和大氣環(huán)境之間的壓差主要用于加速液體，因此液體迅速加速。這個階段僅僅充填了閥門下游管道的3%。第二個階段是t=0.125秒到t=0.37秒，這個階段內FρA2u2比NρA du/dt大，即變成液體在管道中流動的阻力比其慣性更重要。也就是說，容器和大氣環(huán)境之間壓差主要用來克服流動阻力了。這一階段中液體繼續(xù)加速運動，但是與第一階段相比，加速得慢很多。這個階段結束時，液體充填了閥門下游管道的18%。第二個階段結束的時候（t=0.37秒），流速達到最大值。第三個階段為t=0.37秒到充填完畢。這個階段內，隨著充填比例的增加，液體在管內流動的沿程損失變得越來越顯著，以致于容器和大氣環(huán)境之間壓差都不足以克服流動阻力了，于是流速反而下降。這個階段是充填量最大的，閥門下游管道剩余的82%容積都是在這個階段充填的。
圖3 計算結果
充填時間的長短對于一些應用是至關重要的。例如，液體火箭發(fā)動機起動的時候，按照一定的時序打開氧化劑閥門和燃料閥門，氧化劑和燃料對閥門下游的管路、集液腔、推力室冷卻通道以及噴注器頭腔進行充填。燃料和氧化劑對這些部件的充填時間，直接影響燃料和氧化劑開始進入燃燒室的時刻。而發(fā)動機起動的時候往往需要精確地控制氧化劑和燃料進入燃燒室的時刻，所以研究管路充填對于液體火箭發(fā)動機起動過程的分析非常重要。
上面討論的都是管道出口開放的情形下的充填。另外還有一種情形是管道出口封閉的充填。例如像圖4中所示的那樣，在管道出口還有一個閥門。在t=0時刻之前，閥門1上游的管道充滿了液體，而閥門1與閥門2之間的管道充滿了空氣。在t=0時刻，突然打開閥門1（但是閥門2仍然是關閉的）。
展開 高壓多級氫渦輪泵轉子動力學設計與試驗研究
高壓多級氫渦輪泵轉子動力學設計與試驗研究
夏德新
(北京液體火箭發(fā)動機研究所,北京，100076)
摘要 轉子動力學問題是液體火箭發(fā)動機氫渦輪泵研制中最復雜的問題之一。為了保證高速轉子的穩(wěn)定工作，必須對轉子進行多方面的研究和試驗。介紹了在高壓多級氫渦輪泵研制過程中轉子的結構設計，臨界轉速計算和轉子動力學的試驗研究等內容。
關鍵詞 渦輪泵，氫氧發(fā)動機，轉子，動力學。
Design and Experimental Study on Rotor Dynamics of High Pressure Multistage LH2 Turbopump
Xia Dexin
(Beijing Institute of Liquid Rocket Engine,Beijing,100076)
Abstract The problem of the rotor dynamics is one of the most complex problems in research of LOX/LH2 engine LH2 turbopump. To guarantee the stability of rotor, experimental research on rotor dynamics is necessary.
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