国内高校重点实验室火箭发动机发展现状

朱一骁，王申，白雪蕊

(1. 上海空间推进研究所，上海 201112； 2. 上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112)

0 引言

“航天发展，动力先行”，火箭发动机技术是航天技术的重要组成部分。常用的火箭发动机类型主要有液体火箭发动机、固体火箭发动机和电火箭发动机[1]。随着现代航天事业的发展，国内外开展了大量针对火箭发动机的研究工作，本文主要介绍国内高校重点实验室火箭发动机技术领域的发展现状，为相关领域研究人员的预研、方案论证、设计、型号研制、发展规划等工作提供支持。

1 液体火箭发动机

在液体火箭发动机领域，国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室取得了显著的研究成果，其中，以李清廉团队的研究成果尤为显著。李清廉教授是国防科技大学百千万人才工程国家级人选，其团队的科研成果主要集中在喷嘴的流动雾化特性[2-6]。近年来，李清廉团队将喷嘴研究成果应用于液体火箭发动机方面，取得了显著的成果，尤其在变推力液体火箭发动机方面较为突出。成鹏等[7]设计了一套可变流量的火箭发动机试验系统，采用煤油作为燃料，在极度富燃条件下进行了点火试验，试验实现了火箭发动机全局混合比从0.405～0.690的连续调节。从试验结果中可以看出：1)混合比由0.405增大到0.690的过程中，燃烧室压力先增大后减小；2)在混合比<0.535时，燃烧效率对燃烧室压力的影响占主导，混合比>0.535时，燃料流量对燃烧室压力的影响占主导。

大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室[8]，针对现有在姿轨控液体火箭发动机动态小推力测量方面技术不成熟的现状，从理论分析、仿真和实验等方面对动态推力测试系统的设计、分析进行了深入研究，设计了推力动态测试系统并进行动力学建模，采用模态分析理论研究系统的动态性能，通过幅频特性与相频特性分析，为该系统在微阻尼条件下测试的不失真提供了理论依据。结合该模型，对测试信号进行傅里叶变换，通过系统幅相频特性与不同频率信号进行代数运算的方法，求得了测试系统动态测试误差，从理论上证明测试系统动态性能满足设计要求。

西安交通大学的动力工程多相流国家重点实验室在火箭发动机冷却方面取得了大量的研究成果，其中，以王秋旺团队尤为显著。王秋旺教授为国家杰出青年基金获得者、国务院政府特殊津贴获得者、教育部热科学与工程国际合作联合实验室执行主任及科技部热科学与工程国际联合研究中心负责人，其团队在火箭发动机再生冷却方面的研究成果在国内外期刊中均可以查询到[9-13]。吴峰等[14-17]应用气固耦合方法对液体推进剂火箭发动机再生冷却推力室通道的流动与传热进行了三维数值模拟。计算结果表明：喉部附近的推力室温度和热流密度最高，增加通道深宽比对推力室壁面能够起到强化传热的作用，但同时也增加了冷却通道的进出口压差。

2 固体火箭发动机

在固体火箭发动机领域，研究成果主要集中在西北工业大学的燃烧、流动和热结构国家级重点实验室，该实验室是经国防科工委批准，由国家投资建设的国家级重点实验室，于1995年12月建成。自建成以来，试验室完成了百余项课题研究，在国内外刊物及国际性学术会议上发表大量研究论文，其中一个比较有名的是金属粉末燃料对火箭发动机燃烧性能影响的研究。邓哲等[18]建立了混合动力火箭发动机试验系统，选取Mg和Al作为金属粉末燃料，N2O作为氧化剂，通过试验对发动机燃烧效率影响因素进行了研究。试验中，Mg/N2O的燃烧效率在燃烧室压强0.5MPa的情况下高达96.4%，Al/N2O在0.91MPa的情况下达到88.5%。同时，试验结果表明，提高燃烧室压强、颗粒滞留时间，可提高燃烧效率。王立武等[19]对高横向过载下固体火箭发动机内燃气流动中粒子冲刷和局部聚集问题开展研究，研究采用理论分析和试验验证相结合的方法，验证了科氏加速度和导弹法向牵连加速度对发动机横向过载的影响。同时，试验结果表明：横向过载将引起Al2O3粒子向发动机局部聚集，引起喷管收敛段局部烧蚀增大，且增大的方向与离心过载方向呈一定的环向偏转角度。

同时，围绕固体火箭发动机羽流特性进行的研究也取得了显著的成果，其中的典型为徐义华等[20]对固体火箭发动机羽流在特定光谱内红外辐射特性的研究，其通过计算比较了羽流辐射作用的强度以及羽流场不同位置点的入射辐射强度。通过计算结果可以看出，不同羽流位置点的光谱辐射强度和波长变化规律一致，辐射强度随波长的增大而减小；观测方向与羽流轴线夹角的方位角增大，红外辐射强度减小。

3 电火箭发动机

在电火箭发动机领域，大量研究成果主要出自哈尔滨工业大学的等离子体推进技术实验室。该实验室成立于2002年，隶属于电驱动与电推进技术教育部重点实验室。实验室立足于国家航天工程需求，以等离子体推进技术为主要研究领域，围绕电推进基础理论、电推进工程设计方法及关键技术开展研究,致力于从效率、比冲、寿命、可靠性、控制精度等方面大幅提升航天器的技术水平。其中，李鸿等[21]针对霍尔推力器放电通道壁面过热、放电电流随时间增长越来越快的热失稳现象开展研究，研究对象为霍尔推力器结构中的磁路部分，主要目的在于研究磁路高温性质变化对霍尔推力器放电热失稳的影响，研究以数值模拟研究为主。通过数值模拟可以看出，磁性材料的铁磁性受温度升高的影响导致场强衰减，从而进一步对电子能量各向分布、粒子密度分布等造成了影响，加剧了壁面等离子体沉积功率，导致磁路温度的持续增长。

李文博等[22]针对空心阴极热子的失效问题开展研究，以数值模拟研究为主，主要目的在于评估阴极热子失效对阴极寿命的影响。通过数值模拟可以看出，阴极热子上沉积的功率随时间导数不断增加而持续升高，最终导致温度超过材料的熔点而快速熔断。同时，通过研究还发现，阴极热子初始值的微小偏差会在退化过程中被剧烈放大。

欧阳磊等[23]采用试验研究的手段，通过构建真空实验系统，研究了无热子空心阴极的冷启动过程中空心阴极的点火及放电特性的影响因素。通过试验结果可以看出，随着空心阴极点火电压逐渐升高，阴极冷启动过程存在最低稳定点火电压。同时还可以看出，随着供气流量的增加，点火电压逐渐下降，而较小的触持极-发射体间距更利于稳定可靠的冷启动。

4 总结与展望

本文在查询大量文献的基础上，完成了对国内高校重点实验室火箭发动机领域研究成果的调研工作。文章根据不同的火箭发动机类型，分别介绍了液体火箭发动机、固体火箭发动机和电火箭发动机领域内，国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室、大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室、西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室、西北工业大学燃烧、流动和热结构国家级重点实验室以及哈尔滨工业大学等离子体推进技术实验室等的研究成果。通过对国内高校重点实验室火箭发动机技术领域发展现状全面、系统的调研工作，可为相关专业研究人员正在开展的预研、方案论证、设计、型号研制、发展规划等工作提供有力的支持和帮助。