氢氧膨胀循环发动机技术

膨胀循环发动机具有固有可靠性高等特点，是上面级发动机发展的趋势进入 21 世纪，我国也启动了膨胀循环发动机的研制，2016 年成功进入飞行阶段，支撑 CZ5 火箭完成多项重大工程任务，实现了国内氢氧火箭发动机由开式常规循环到闭式膨胀循环的重大技术跨越。我国该发动机的研制实现了国内氢氧火箭发动机由开式常规循环到闭式膨胀循环的重大技术跨越。本书对氢氧膨胀循环发动机技术进行分析、总结出研制方法、技术特点、理论概念等具有较大价值，可以有助于宇航推进设计者、高等院校师生、发动机爱好者获得相应的知识，进一步了解膨胀循环发动机。

第1章氢氧膨胀循环发动机发展1 1.1美国1 1.1.1RL10系列发动机1 1.1.2RL60发动机8 1.2日本10 1.2.1LE5A系列发动机10 1.2.2LE9发动机12 1.2.3MB60发动机14 1.2.4RSR发动机14 1.3欧洲16 1.4俄罗斯17 1.5中国19 1.6膨胀循环发动机的特点及优势20 参考文献22 第2章系统技术24 2.1概述24 2.2膨胀循环发动机工作原理25 2.3系统方案选择26 2.3.1系统方案选择的指导思想和原则26 2.3.2膨胀循环系统两种方案的选择26 2.3.3推进剂利用系统调节方案27 2.3.4推力室身部和喷管换热及冷却方案28 2.3.5发动机起动、点火方案28 2.3.6发动机推力控制及调节方案29 2.4发动机参数选择与确定29 2.4.1发动机主要系统参数选择与确定29 2.4.2发动机主要组合件参数选择与确定32 2.5发动机静态模型与仿真34 2.5.1发动机静态模型35 2.5.2发动机平衡方程41 2.5.3参数求解方法41 2.5.4敏感因素分析与控制41 2.6发动机动态模型与仿真44 2.6.1发动机动态模型45 2.6.2发动机系统模型建立51 2.7发动机高空二次点火起动技术53 2.7.1一次关机影响分析54 2.7.2发动机富氧关机56 2.7.3空间辐射影响57 2.7.4空间预冷影响58 2.7.5真空点火及低温起动59 2.8发动机推力调节技术61 2.8.1国外研究情况61 2.8.2推力调节控制方式比较66 参考文献72 第3章推力室技术74 3.1概述74 3.2喷注器75 3.2.1功能及结构形式75 3.2.2喷注器的流动特性76 3.2.3喷注器结构设计78 3.3燃烧室84 3.3.1功能及结构形式84 3.3.2燃烧室的容积与形状88 3.3.3传热分布及冷却90 3.3.4冷却通道的压降损失97 3.3.5室壁载荷、应力及使用寿命97 3.4喷管延伸段98 3.4.1功能及结构形式98 3.4.2型面设计98 3.4.3冷却101 3.4.4可延伸喷管101 参考文献105 第4章涡轮泵技术107 4.1概述107 4.2涡轮泵总体结构107 4.2.1涡轮泵总体结构布局107 4.2.2转速的选取108 4.2.3典型氢涡轮泵及其技术特点111 4.3泵113 4.3.1泵设计要求113 4.3.2泵结构113 4.3.3诱导轮115 4.3.4离心轮117 4.3.5级间壳体120 4.3.6蜗壳121 4.3.7泵的试验122 4.4涡轮126 4.4.1涡轮设计要求126 4.4.2轴流涡轮127 4.4.3径流涡轮132 4.4.4强度设计135 4.4.5涡轮的试验137 4.5转子载荷的校核与平衡140 4.5.1轴向力平衡140 4.5.2径向力校核145 4.6转子动力学148 4.6.1临界转速148 4.6.2不平衡响应155 4.6.3转子工作稳定性157 4.6.4转子的试验159 4.7轴承160 4.7.1轴承的形式160 4.7.2滚动轴承161 4.7.3流体滑动轴承163 4.7.4轴承的试验165 4.8密封166 4.8.1迷宫密封166 4.8.2端面密封167 4.8.3浮动环密封172 4.8.4密封的试验174 参考文献176 第5章阀门技术178 5.1概述178 5.2阀门设计原则178 5.2.1阀门的基本设计要求178 5.2.2影响阀门设计的主要因素178 5.3阀门典型结构181 5.3.1氢主阀181 5.3.2氧主阀182 5.3.3推进剂利用阀184 5.4密封结构184 5.4.1阀门动密封184 5.4.2阀座密封副187 5.5阀门作动机构190 5.5.1电作动机构191 5.5.2液压气动作动机构194 5.6低温阀195 5.6.1低温阀设计原则196 5.6.2低温阀设计计算198 5.7调节阀200 5.7.1国内外液体火箭发动机调节阀方案200 5.7.2调节阀设计201 参考文献206 第6章发动机总体设计207 6.1概述207 6.2总体布局207 6.2.1总体布局的要求207 6.2.2发动机传力方式209 6.2.3发动机摇摆方案210 6.2.4主要组件在发动机上的布置212 6.3典型总装结构与元件216 6.3.1机架216 6.3.2常平座219 6.3.3摇摆软管221 6.3.4换热器224 6.3.5钛合金导管226 6.3.6金属软管226 6.3.7气瓶227 6.4多余物防控228 6.4.1概述228 6.4.2发动机多余物来源229 6.4.3多余物对组合件和系统的影响229 6.4.4设计过程对多余物的控制231 6.4.5生产与试验过程多余物控制233 参考文献237 第7章发动机结构动力学设计与分析238 7.1概述238 7.2发动机的振动问题238 7.2.1振动稳定性问题238 7.2.2振动环境适应性问题240 7.3动力学设计方法与准则241 7.3.1发动机频率管理242 7.3.2力学环境预示方法243 7.3.3减振抑振设计245 7.3.4动强度评估246 7.4动力学仿真分析247 7.4.1有限元分析基本理论247 7.4.2建模原则与方法249 7.4.3模态分析251 7.4.4谐响应分析253 7.4.5随机振动分析254 7.4.6瞬态动力学分析255 7.5试车与飞行振动数据的采集与分析256 7.5.1试车数据采集与分析256 7.5.2飞行数据采集与分析257 7.6基于振动数据的故障诊断257 7.6.1燃烧装置的故障诊断257 7.6.2转子系统常见故障的诊断258 7.6.3小波分析在轴承保持架故障分析中的应用260 参考文献264 第8章发动机试验技术266 8.1概述266 8.2推力室真空辐射试验266 8.3缩比推力室设计与试验267 8.3.1国外缩比推力室试验情况268 8.3.2缩比推力室设计方法276 8.3.3热流密度的测量280 8.4推力室点火及换热挤压试验282 8.4.1推力室挤压试验系统原理282 8.4.2推力室挤压试验控制方式283 8.5涡轮泵介质试验284 8.5.1系统构成及原理284 8.5.2涡轮泵性能评价286 8.5.3介质及工况设计287 8.6发动机高空模拟试验288 8.6.1被动引射高空模拟系统289 8.6.2主动引射高空模拟系统291 8.6.3膨胀循环发动机高空模拟试验295 8.7真空点火试验297 8.7.1真空点火起动问题297 8.7.2真空点火起动的影响因素298 8.7.3真空点火试验的目的与方案299 8.8热真空试验301 8.9发动机整机试车301 8.10发动机结构动力学试验302 8.10.1质量、质心、转动惯量测量302 8.10.2模态试验305 8.10.3振动考核试验305 8.10.4噪声试验306 参考文献308 第9章未来技术展望310 9.1发动机电点火技术310 9.2发动机成本控制310 9.3发动机故障诊断技术313 9.4发动机推质比提升314 9.5可延伸变面积比喷管技术315 9.6小结316 参考文献317