膨胀循环发动机技术的发展、应用与展望

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1、第42卷第1期2016年2月火箭推进JOURNAL0FROCKETPROPULSl0NV01．42．№．1Feb．2016膨胀循环发动机技术的发展、应用与展望周利民，刘中祥(北京航天动力研究所，北京100076)摘要：系统总结了国内外膨胀循环发动机技术的发展和应用情况，在分析未来航天发展需求、研究膨胀循环发动机技术发展方向的基础上，对膨胀循环发动机技术未来的发展进行了展望。关键词：膨胀循环发动机；火箭发动机；技术发展中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2016)0

2、1—0001—05DeVelopment，application，andprospect，、1●1OteXDan(LerCVCleen91neteCnnOlOgVZHOULimin，UUZhOngxiang(BeijingAeroSpacePropulsion111stitlne，Beijing100076，china)Abs咖ct：ThedeVelopmentandapplicationstatusoftheexpandercycleenginetecllnologyaresummarizeds

3、ystematically．BasedontheanalySisof如tureaerospaceneedsandthedeVelopmenttrendsoftheexpandercycleenginetechnology，medevelopmentprospectoftheexpansioncycleen百netecllIlologyisstated．＆卵唧出：eXpandercycleengine；rocketengine；tecllllolog)rdeVel叩mentO引言1膨胀循环发动机的技

4、术特点膨胀循环发动机利用冷却推力室和被加热的氢作为涡轮工质和能源，驱动涡轮，带动氢、氧泵对推进剂进行增压。涡轮做功后的氢全部进入推力室，与氧在推力室内燃烧使化学能转变为热能，经喷管加速排出，将热能转化成动能，从而产生推力。整个过程无额外推进剂和能量损失，故也被称为“最优动力循环”。膨胀循环发动机具有如下特点：1)系统简单膨胀循环发动机以推力室作为加温器，没有燃气发生器循环发动机的燃气发生器及其副系统，也没有补燃发动机的预燃室。该发动机一般采用箱压自身起动，因此发动机系统简单。21性能高收稿日期：2

5、016—01一19；修回日期：2016—01—28作者简介：周利民(1963一)，男，研究员，研究领域为液体火箭发动机设计2火箭推进2016年2月全部推进剂都进入推力室燃烧产生推力，无推进剂损失，发动机性能与补燃循环相当，性能高。目前投人使用的性能最高的火箭发动机为美国RLlOB-2膨胀循环发动机，比冲达到了464s。31可靠性高发动机系统简单，起动过程平稳迅速，涡轮工作环境近于常温而不是高温，发动机固有可靠性高。4)推力和混合比易实现调节分别对氢、氧涡轮流量进行调节，既可实现对发动机推力和混合比

6、调节，且调节阀的工作环境条件较好。推力室为气(氢气)一液(液氧)燃烧，即使在很低的工况，也不易引起燃烧不稳定，易于实现深度推力调节。美国利用RLl0膨胀循环发动机进行了深度推力调节试验研究，试验验证发动机CECE推力调节范围达到了10：1。5)涡轮功率受推力室换热能力和涡轮压比制约，一般适于中小推力的高性能氢氧上面级发动机使用2国外膨胀循环发动机发展现状膨胀循环发动机作为液体火箭发动机的一个重要类型，有其独特的优势和技术特点。在美国几十年的航天活动中，膨胀循环发动杌一直占据着其运载火箭上面级动力的

7、主导地位，并仍在不断改进提高。2000年前后，随着世界各国新一代运载火箭陆续研制，膨胀循环发动机获得普遍青睐，欧、俄、日等各国也纷纷研制各自的上面级氢氧膨胀循环发动机。表l为国外膨胀循环发动机的发展和使用情况【l_51。表1国外膨胀循环发动机的发展和使用情况Tab．1DeVelopmentandappH∞髓硼stat璐offoreign既呻ioncycleen季nes先进的高性能上面级氢氧膨胀循环发动机作为国外新一代运载火箭的核心技术而得到普遍的开发和应用，他们的共同特点是：·采用膨胀循环发动机系

8、统。·大面积比喷管(可伸缩、C—C非金属材料)以显著提高发动机的比冲。第42卷第1期周利民，等：膨胀循环发动机技术的发展、应用与展望3·高转速、高效率氢涡轮泵。·电点火实现多次启动。·推力和混合比可调节。可以说具有上述技术特点的高性能氢氧膨胀循环发动机代表了国外新一代运载火箭及未来上面级发动机的技术发展方向。3我国膨胀循环发动机技术的发展3．1YF一75D膨胀循环发动机2003年，为推动我国高性能上面级发动机技术进步，掌握氢氧膨胀循环发动机关键技术，开始了膨胀循环发动机关键技术预先