國內高校重點實驗室火箭發動機發展現狀

朱一驍，王申，白雪蕊

(1. 上海空間推進研究所，上海 201112； 2. 上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

“航天發展，動力先行”，火箭發動機技術是航天技術的重要組成部分。常用的火箭發動機類型主要有液體火箭發動機、固體火箭發動機和電火箭發動機[1]。隨著現代航天事業的發展，國內外開展了大量針對火箭發動機的研究工作，本文主要介紹國內高校重點實驗室火箭發動機技術領域的發展現狀，為相關領域研究人員的預研、方案論證、設計、型號研制、發展規劃等工作提供支持。

1 液體火箭發動機

在液體火箭發動機領域，國防科技大學高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室取得了顯著的研究成果，其中，以李清廉團隊的研究成果尤為顯著。李清廉教授是國防科技大學百千萬人才工程國家級人選，其團隊的科研成果主要集中在噴嘴的流動霧化特性[2-6]。近年來，李清廉團隊將噴嘴研究成果應用于液體火箭發動機方面，取得了顯著的成果，尤其在變推力液體火箭發動機方面較為突出。成鵬等[7]設計了一套可變流量的火箭發動機試驗系統，采用煤油作為燃料，在極度富燃條件下進行了點火試驗，試驗實現了火箭發動機全局混合比從0.405～0.690的連續調節。從試驗結果中可以看出：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小；2)在混合比<0.535時，燃燒效率對燃燒室壓力的影響占主導，混合比>0.535時，燃料流量對燃燒室壓力的影響占主導。

大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室[8]，針對現有在姿軌控液體火箭發動機動態小推力測量方面技術不成熟的現狀，從理論分析、仿真和實驗等方面對動態推力測試系統的設計、分析進行了深入研究，設計了推力動態測試系統并進行動力學建模，采用模態分析理論研究系統的動態性能，通過幅頻特性與相頻特性分析，為該系統在微阻尼條件下測試的不失真提供了理論依據。結合該模型，對測試信號進行傅里葉變換，通過系統幅相頻特性與不同頻率信號進行代數運算的方法，求得了測試系統動態測試誤差，從理論上證明測試系統動態性能滿足設計要求。

西安交通大學的動力工程多相流國家重點實驗室在火箭發動機冷卻方面取得了大量的研究成果，其中，以王秋旺團隊尤為顯著。王秋旺教授為國家杰出青年基金獲得者、國務院政府特殊津貼獲得者、教育部熱科學與工程國際合作聯合實驗室執行主任及科技部熱科學與工程國際聯合研究中心負責人，其團隊在火箭發動機再生冷卻方面的研究成果在國內外期刊中均可以查詢到[9-13]。吳峰等[14-17]應用氣固耦合方法對液體推進劑火箭發動機再生冷卻推力室通道的流動與傳熱進行了三維數值模擬。計算結果表明：喉部附近的推力室溫度和熱流密度最高，增加通道深寬比對推力室壁面能夠起到強化傳熱的作用，但同時也增加了冷卻通道的進出口壓差。

2 固體火箭發動機

在固體火箭發動機領域，研究成果主要集中在西北工業大學的燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室，該實驗室是經國防科工委批準，由國家投資建設的國家級重點實驗室，于1995年12月建成。自建成以來，試驗室完成了百余項課題研究，在國內外刊物及國際性學術會議上發表大量研究論文，其中一個比較有名的是金屬粉末燃料對火箭發動機燃燒性能影響的研究。鄧哲等[18]建立了混合動力火箭發動機試驗系統，選取Mg和Al作為金屬粉末燃料，N2O作為氧化劑，通過試驗對發動機燃燒效率影響因素進行了研究。試驗中，Mg/N2O的燃燒效率在燃燒室壓強0.5MPa的情況下高達96.4%，Al/N2O在0.91MPa的情況下達到88.5%。同時，試驗結果表明，提高燃燒室壓強、顆粒滯留時間，可提高燃燒效率。王立武等[19]對高橫向過載下固體火箭發動機內燃氣流動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驗證相結合的方法，驗證了科氏加速度和導彈法向牽連加速度對發動機橫向過載的影響。同時，試驗結果表明：橫向過載將引起Al2O3粒子向發動機局部聚集，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向偏轉角度。

同時，圍繞固體火箭發動機羽流特性進行的研究也取得了顯著的成果，其中的典型為徐義華等[20]對固體火箭發動機羽流在特定光譜內紅外輻射特性的研究，其通過計算比較了羽流輻射作用的強度以及羽流場不同位置點的入射輻射強度。通過計算結果可以看出，不同羽流位置點的光譜輻射強度和波長變化規律一致，輻射強度隨波長的增大而減小；觀測方向與羽流軸線夾角的方位角增大，紅外輻射強度減小。

3 電火箭發動機

在電火箭發動機領域，大量研究成果主要出自哈爾濱工業大學的等離子體推進技術實驗室。該實驗室成立于2002年，隸屬于電驅動與電推進技術教育部重點實驗室。實驗室立足于國家航天工程需求，以等離子體推進技術為主要研究領域，圍繞電推進基礎理論、電推進工程設計方法及關鍵技術開展研究,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水平。其中，李鴻等[21]針對霍爾推力器放電通道壁面過熱、放電電流隨時間增長越來越快的熱失穩現象開展研究，研究對象為霍爾推力器結構中的磁路部分，主要目的在于研究磁路高溫性質變化對霍爾推力器放電熱失穩的影響，研究以數值模擬研究為主。通過數值模擬可以看出，磁性材料的鐵磁性受溫度升高的影響導致場強衰減，從而進一步對電子能量各向分布、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，導致磁路溫度的持續增長。

李文博等[22]針對空心陰極熱子的失效問題開展研究，以數值模擬研究為主，主要目的在于評估陰極熱子失效對陰極壽命的影響。通過數值模擬可以看出，陰極熱子上沉積的功率隨時間導數不斷增加而持續升高，最終導致溫度超過材料的熔點而快速熔斷。同時，通過研究還發現，陰極熱子初始值的微小偏差會在退化過程中被劇烈放大。

歐陽磊等[23]采用試驗研究的手段，通過構建真空實驗系統，研究了無熱子空心陰極的冷啟動過程中空心陰極的點火及放電特性的影響因素。通過試驗結果可以看出，隨著空心陰極點火電壓逐漸升高，陰極冷啟動過程存在最低穩定點火電壓。同時還可以看出，隨著供氣流量的增加，點火電壓逐漸下降，而較小的觸持極-發射體間距更利于穩定可靠的冷啟動。

4 總結與展望

本文在查詢大量文獻的基礎上，完成了對國內高校重點實驗室火箭發動機領域研究成果的調研工作。文章根據不同的火箭發動機類型，分別介紹了液體火箭發動機、固體火箭發動機和電火箭發動機領域內，國防科技大學高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室、大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室、西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室、西北工業大學燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室以及哈爾濱工業大學等離子體推進技術實驗室等的研究成果。通過對國內高校重點實驗室火箭發動機技術領域發展現狀全面、系統的調研工作，可為相關專業研究人員正在開展的預研、方案論證、設計、型號研制、發展規劃等工作提供有力的支持和幫助。