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话宇专栏丨中国民营公司固体火箭发动机试车成功,双脉冲技术引关注

2018-11-02
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2018 年 11 月 1 日,北京灵动飞天公司(S-motor)自主研制的双脉冲固体火箭发动机完成了地面试车,发动机全程工作正常,数据采集记录完整,试验取得了圆满成功。

 

图丨脉冲发动机点火(来源:灵动飞天)


针对越来越热闹的商业航天创业领域,外界普遍形成了火箭发动机“固液之分”的初步认识,尤其是液体发动机的“燃烧剂+氧化剂”组合也是能列举一二。但对于固发的现状以及其在商业航天市场中的地位,可谓是仁者见仁、智者见智,而借助此次灵动飞天双脉冲固体火箭发动机的试车消息,我们也能一窥其中的奥秘与价值。

 

双脉冲技术


与液体发动机相比,传统固体发动机最被“诟病”的就是其不具备推力可调能力,弹道适应能力弱。但所具有的结构简单、推进剂密度大、常备待用和使用方便等优点又使得固体火箭发动机依旧必不可少,常被用于导弹、航天器助推器之中。

 

与此同时,为了增强固体火箭发动机的竞争力,有关厂商也在推进剂和发动机壳体上做文章,希望可以借此提高箭(弹)体的飞行性能。而在此之外,要提高固体火箭发动机推力的灵活性,就需要实现发动机的多次启动、提供波段式的推力,双脉冲(多脉冲)发动机技术也就此应运而生。

 

图丨双脉冲装药示意(来源:灵动飞天)


简单来说,固体双脉冲发动机的在传统固体火箭发动机基础上,通过隔离装置将装药分隔为两个脉冲,分别具有独立的点火装置,一脉冲装药燃烧完毕后,二脉冲装药可以根据需要适时点火再次工作,能够为飞行器提供两次间歇推力,且推力间隔时间可以根据飞行弹道在较大范围内进行调节。

 

多脉冲固体发动机隔离装置主要有两种结构: 隔舱式和隔层式。二者的差别在于,隔舱式在隔热的同时又要承力,而隔层式仅起起阻燃和隔热的作用,不需要承力。

 

这种做法的好处是极大提高了固体火箭发动机的推力灵活性,实现了发动机能量的离散控制,改善了传统固发的劣势。同时又继承了固体相较于液体简单可靠的优势,即实现固体火箭发动机的推力输出“液发化”。

 

目前,脉冲固体发动机多应用于导弹上,代表产品有美国标准-3(SM-3)导弹、英国 ARAM 导弹、俄罗斯 Kh-55 改进型和德国 TLVS 导弹。而在火箭应用方面,脉冲发动机技术中的分段式装药技术能够在大型固体火箭助推器上得到应用,NASA太空发射系统的五段式助推器(SRBs)算是其中最知名的代表。

 

此次灵动飞天研发的该型双脉冲发动机直径为Φ180mm,脉冲间隔 0~80s 可调,采用轻质隔舱、高装填丁羟三组元推进剂和安全点火装置,具有结构紧凑、装填系数高、安全可靠等技术特点。研发过程中贯彻了低成本,通用化的设计理念,大量采用成熟工艺,适合批量生产,并能够根据用户不同需求,灵活实现定制化研发。


图丨固体火箭发动机(来源:灵动飞天)

 

万里长征又一步

 

众所周知,航天产品的可靠性要求远远高于其他工业产品,每一型新产品的研制都必须遵循科学的研制规律,确保万无一失。在确保产品可靠性的同时,通过科学的设计方法追求产品性能最优亦是航天产品研制的指导思想。

 

针对于固体火箭发动机而言,其研制流程须遵循先单项后整体, 先关键技术再系统集成的顺序。通过科学规划的单项试验,拿到分组件和零部件各项性能的数据,在此基础上确定最优的整机工作参数,进行整机试验,确保产品质量可靠。

 

同时通过试验数据,摸清设计余量,在确保可靠性,安全性的前提下,充分发挥出产品的高性能,避免出现安全系数过高性能发挥不出来,或是性能太冒进吃掉安全裕度的现象。

 

对于灵动飞天来说,其双脉冲固体火箭发动机目前已经通过前期隔舱承压、打开和烧蚀等各项单项试验,全面获取了关键零部件的各项数据,同时,采用正交优化设计方法,在确保发动机安全可靠工作的前提下,最大限度的提高了产品性能。

 

本次试车的成功也标志着灵动飞天掌握了固体火箭发动机多次点火,分段式装药,多燃烧室防隔热设计以及隔舱设计等多项关键技术。后续公司将以此为基础,继续推进相关技术在大直径分段式装药商业发射固体火箭发动机上的研究与应用。

 

至今为止,灵动飞天已经先后完成Φ70mm 直径通用型火箭发动机研发、N(牛) 级卫星用姿轨控发动机研发和Φ180mm 直径固体双脉冲火箭发动机研发;同时完成两型商业运载火箭发动机的设计工作。

 

在本次试车成功的基础上,接下来包括灵动飞天在内的一众商业航天公司将会迎来更为艰难的市场的考验,如何从激烈的商业环境中的突出重围,将是各家科技企业所面临的又一份问卷。

 

-End-




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