朱一驍，王申，白雪蕊

(1. 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112； 2. 上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

“航天發(fā)展，動(dòng)力先行”，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是航天技術(shù)的重要組成部分。常用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)類型主要有液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。隨著現(xiàn)代航天事業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開展了大量針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，本文主要介紹國(guó)內(nèi)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，為相關(guān)領(lǐng)域研究人員的預(yù)研、方案論證、設(shè)計(jì)、型號(hào)研制、發(fā)展規(guī)劃等工作提供支持。

1 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，國(guó)防科技大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室取得了顯著的研究成果，其中，以李清廉團(tuán)隊(duì)的研究成果尤為顯著。李清廉教授是國(guó)防科技大學(xué)百千萬人才工程國(guó)家級(jí)人選，其團(tuán)隊(duì)的科研成果主要集中在噴嘴的流動(dòng)霧化特性[2-6]。近年來，李清廉團(tuán)隊(duì)將噴嘴研究成果應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方面，取得了顯著的成果，尤其在變推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方面較為突出。成鵬等[7]設(shè)計(jì)了一套可變流量的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，采用煤油作為燃料，在極度富燃條件下進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全局混合比從0.405～0.690的連續(xù)調(diào)節(jié)。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出：1)混合比由0.405增大到0.690的過程中，燃燒室壓力先增大后減?。?)在混合比<0.535時(shí)，燃燒效率對(duì)燃燒室壓力的影響占主導(dǎo)，混合比>0.535時(shí)，燃料流量對(duì)燃燒室壓力的影響占主導(dǎo)。

大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[8]，針對(duì)現(xiàn)有在姿軌控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)小推力測(cè)量方面技術(shù)不成熟的現(xiàn)狀，從理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)等方面對(duì)動(dòng)態(tài)推力測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了推力動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，采用模態(tài)分析理論研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，通過幅頻特性與相頻特性分析，為該系統(tǒng)在微阻尼條件下測(cè)試的不失真提供了理論依據(jù)。結(jié)合該模型，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，通過系統(tǒng)幅相頻特性與不同頻率信號(hào)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算的方法，求得了測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試誤差，從理論上證明測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

西安交通大學(xué)的動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方面取得了大量的研究成果，其中，以王秋旺團(tuán)隊(duì)尤為顯著。王秋旺教授為國(guó)家杰出青年基金獲得者、國(guó)務(wù)院政府特殊津貼獲得者、教育部熱科學(xué)與工程國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任及科技部熱科學(xué)與工程國(guó)際聯(lián)合研究中心負(fù)責(zé)人，其團(tuán)隊(duì)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻方面的研究成果在國(guó)內(nèi)外期刊中均可以查詢到[9-13]。吳峰等[14-17]應(yīng)用氣固耦合方法對(duì)液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻推力室通道的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明：喉部附近的推力室溫度和熱流密度最高，增加通道深寬比對(duì)推力室壁面能夠起到強(qiáng)化傳熱的作用，但同時(shí)也增加了冷卻通道的進(jìn)出口壓差。

2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，研究成果主要集中在西北工業(yè)大學(xué)的燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是經(jīng)國(guó)防科工委批準(zhǔn)，由國(guó)家投資建設(shè)的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，于1995年12月建成。自建成以來，試驗(yàn)室完成了百余項(xiàng)課題研究，在國(guó)內(nèi)外刊物及國(guó)際性學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表大量研究論文，其中一個(gè)比較有名的是金屬粉末燃料對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能影響的研究。鄧哲等[18]建立了混合動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，選取Mg和Al作為金屬粉末燃料，N2O作為氧化劑，通過試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率影響因素進(jìn)行了研究。試驗(yàn)中，Mg/N2O的燃燒效率在燃燒室壓強(qiáng)0.5MPa的情況下高達(dá)96.4%，Al/N2O在0.91MPa的情況下達(dá)到88.5%。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，提高燃燒室壓強(qiáng)、顆粒滯留時(shí)間，可提高燃燒效率。王立武等[19]對(duì)高橫向過載下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)中粒子沖刷和局部聚集問題開展研究，研究采用理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了科氏加速度和導(dǎo)彈法向牽連加速度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)橫向過載的影響。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明：橫向過載將引起Al2O3粒子向發(fā)動(dòng)機(jī)局部聚集，引起噴管收斂段局部燒蝕增大，且增大的方向與離心過載方向呈一定的環(huán)向偏轉(zhuǎn)角度。

同時(shí)，圍繞固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽流特性進(jìn)行的研究也取得了顯著的成果，其中的典型為徐義華等[20]對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽流在特定光譜內(nèi)紅外輻射特性的研究，其通過計(jì)算比較了羽流輻射作用的強(qiáng)度以及羽流場(chǎng)不同位置點(diǎn)的入射輻射強(qiáng)度。通過計(jì)算結(jié)果可以看出，不同羽流位置點(diǎn)的光譜輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)變化規(guī)律一致，輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的增大而減小；觀測(cè)方向與羽流軸線夾角的方位角增大，紅外輻射強(qiáng)度減小。

3 電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

在電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，大量研究成果主要出自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室成立于2002年，隸屬于電驅(qū)動(dòng)與電推進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室立足于國(guó)家航天工程需求，以等離子體推進(jìn)技術(shù)為主要研究領(lǐng)域，圍繞電推進(jìn)基礎(chǔ)理論、電推進(jìn)工程設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)開展研究,致力于從效率、比沖、壽命、可靠性、控制精度等方面大幅提升航天器的技術(shù)水平。其中，李鴻等[21]針對(duì)霍爾推力器放電通道壁面過熱、放電電流隨時(shí)間增長(zhǎng)越來越快的熱失穩(wěn)現(xiàn)象開展研究，研究對(duì)象為霍爾推力器結(jié)構(gòu)中的磁路部分，主要目的在于研究磁路高溫性質(zhì)變化對(duì)霍爾推力器放電熱失穩(wěn)的影響，研究以數(shù)值模擬研究為主。通過數(shù)值模擬可以看出，磁性材料的鐵磁性受溫度升高的影響導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)衰減，從而進(jìn)一步對(duì)電子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影響，加劇了壁面等離子體沉積功率，導(dǎo)致磁路溫度的持續(xù)增長(zhǎng)。

李文博等[22]針對(duì)空心陰極熱子的失效問題開展研究，以數(shù)值模擬研究為主，主要目的在于評(píng)估陰極熱子失效對(duì)陰極壽命的影響。通過數(shù)值模擬可以看出，陰極熱子上沉積的功率隨時(shí)間導(dǎo)數(shù)不斷增加而持續(xù)升高，最終導(dǎo)致溫度超過材料的熔點(diǎn)而快速熔斷。同時(shí)，通過研究還發(fā)現(xiàn)，陰極熱子初始值的微小偏差會(huì)在退化過程中被劇烈放大。

歐陽磊等[23]采用試驗(yàn)研究的手段，通過構(gòu)建真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了無熱子空心陰極的冷啟動(dòng)過程中空心陰極的點(diǎn)火及放電特性的影響因素。通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著空心陰極點(diǎn)火電壓逐漸升高，陰極冷啟動(dòng)過程存在最低穩(wěn)定點(diǎn)火電壓。同時(shí)還可以看出，隨著供氣流量的增加，點(diǎn)火電壓逐漸下降，而較小的觸持極-發(fā)射體間距更利于穩(wěn)定可靠的冷啟動(dòng)。

4 總結(jié)與展望

本文在查詢大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，完成了對(duì)國(guó)內(nèi)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域研究成果的調(diào)研工作。文章根據(jù)不同的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)類型，分別介紹了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)防科技大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西北工業(yè)大學(xué)燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等離子體推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等的研究成果。通過對(duì)國(guó)內(nèi)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀全面、系統(tǒng)的調(diào)研工作，可為相關(guān)專業(yè)研究人員正在開展的預(yù)研、方案論證、設(shè)計(jì)、型號(hào)研制、發(fā)展規(guī)劃等工作提供有力的支持和幫助。