本文摘要：作者 王维彬 孙纪国泉源 手机知网院所 北京航天动力研究所摘要：液氧甲烷火箭发念头具有成本低、性能好、重复使用、维护利便等优点，是极具生长潜力的未来航天动力。北京航天动力研究所在“十一五”期间开展了 60t 级液氧甲烷火箭发念头原型样机研究。举行了甲烷液氧气液缩尺喷注器燃烧试验和甲烷液氧液液喷注器低混淆比燃烧试验，相识了甲烷液氧的燃烧特性、焚烧特性等。 开展了涡轮泵和阀门等组件适应性研究。研究讲明，液氧甲烷发念头燃烧稳定性好，易于维护，是未来航天的理想动力选择之一。

作者 王维彬 孙纪国泉源 手机知网院所 北京航天动力研究所摘要：液氧甲烷火箭发念头具有成本低、性能好、重复使用、维护利便等优点，是极具生长潜力的未来航天动力。北京航天动力研究所在“十一五”期间开展了 60t 级液氧甲烷火箭发念头原型样机研究。举行了甲烷液氧气液缩尺喷注器燃烧试验和甲烷液氧液液喷注器低混淆比燃烧试验，相识了甲烷液氧的燃烧特性、焚烧特性等。

开展了涡轮泵和阀门等组件适应性研究。研究讲明，液氧甲烷发念头燃烧稳定性好，易于维护，是未来航天的理想动力选择之一。

关键词：液氧甲烷；火箭发念头；重复使用；RLV 1 液氧甲烷火箭发念头的生长前景 液氧烃类发念头由于具有较高的平均密度和相对较高的性能，对应用于火箭的助推级很有吸引力。相对于其它烃类燃料，液氧甲烷发念头具有比冲较高、低成本、无毒无污染、低积碳、冷却不结焦、适于重复使用等特点。

尤其是 1980 年以来，包罗中国、美国、俄罗斯、欧洲、日本、韩国在内的多个国家，都在开展液氧甲烷发念头的研究事情。氢、氧、甲烷、煤油及偏二甲肼的物理性能见表 1。与氢、氧类似，甲烷属于低温推进剂，其维护使用条件与液氧基底细同。（原论文中前边没了一截）台。

夯实工艺基础，努力推进工艺规范化事情。认真落实好团体公司工艺事情法式，切实将工艺事情纳入型号产物研制生产流程，确保工艺事情与设计事情“同步筹谋、同步预研、同步论证、同步攻关”，提高型号工艺事情的质量和实效。强化工艺历程的总结与提炼，努力推进工艺规范化事情。

以“固化成熟工艺，提高生产效率”为指导原则，不停推进工艺规范化事情，优化工序流程，梳剃头念头生产历程中成熟的通用工艺，提高产物工艺设计的继续性、稳定性及工艺文件体例的质量和效率。努力发挥工艺信息化技术对院科研生产的支撑作用，增强工艺与设计、信息技术的集成与融合，建设数字化工艺设计治理平台，增强工艺数据库建设，继续推广 CAPP 技术应用，逐步建设先进的航天数字化制造体系。加速先进制造装备技术研究，重点解决未来大型发念头研制生产需求及固体发念头生产历程的“手工”操作环节，提高产物质量稳定性，提高生产历程本质宁静。

促进工艺技术问题的解决，掌握一批焦点工艺技术。继续根据团体公司《工艺事情划定》的要求，保证工艺事情足额经费，用于工艺基础和共性工艺问题研究。同时要求各单元要进一步加大工艺研究经费自主投入力度，调动工艺技术部门解决共性问题和重大工艺问题的努力性，建设工艺创新的长效机制，掌握一批焦点工艺技术。

鹏城万里何惧险，千帆争舸向天歌。振兴工艺事情是一项永无止境的庆幸事业，是企业生长赋予工艺事情者的神圣使命。我院将在团体公司的向导下，抓住难过历史机缘，将技术创新作为推动企业生长的不竭活力源泉，不停提高工艺技术水平，努力攀缘固体发念头制造能力的跨越式生长新岑岭，为我国国防现代化建设做出新的孝敬！ 甲烷的比热高（见图 1），其定压比热低于氢，但高于煤油等推进剂，是良好的冷却剂。液态甲烷的密度是煤油的一半，约为液氢的 6 倍，因此甲烷贮箱比氢贮箱轻许多。

烃类燃料大多与液氧配对作为发念头推进剂组合。在所有碳氢化合物中，液氧甲烷比冲最高。由图 2 可见，液氧甲烷推进剂组合的密度约为液氧液氢的 2.3 倍，是液氧/煤油的 0.8 倍。

液氧甲烷发念头的理论比冲比液氧液氢发念头低约 800m/s，比液氧/煤油发念头高约 100m/s。液氧甲烷发念头的密度比冲是液氧/煤油的 0.84 倍，是氢氧发念头的 1.8倍。甲烷的燃烧效率和焚烧性能优于其它烃类燃料。

综合思量火箭性能和结构重量，液氧甲烷发念头与液氧/煤油发念头性能相当。美国在 1980 年举行了电传热试验，研究烃类燃料结焦特性，效果讲明：甲烷在壁温为 500℃时可正常事情。

当甲烷中的硫含量低于 1ppm 时没有任何结焦。烃类燃料中煤油的结焦极限温度最低，甲烷最高。煤油的结焦极限温度为 560K，甲烷为 950K。

由于甲烷无结焦，且具有很高的比热，因此是一种很好的再生冷却剂。烃类燃料燃气普遍有积碳。

美国举行过烃类燃料的碳沉积研究，混淆比为 0.2～0.6，燃烧室压力为50～120MPa。效果讲明：甲烷在试验的混淆比规模内，不存在碳沉积。

甲烷分子只含一个碳原子，热解后难以形发展链碳氢化合物，因而在高温下也不易积碳。实验效果讲明，在 400～900℃宽阔的燃烧温度规模内，液氧甲烷富燃燃烧产物均未泛起显着的积碳。

美国 Aerojet 公司于 1986 年对烃类燃料与燃烧室壁的相容性问题举行了试验研究，效果讲明：当甲烷中的硫含量低于 1ppm 时对铜合金内壁险些没有任何腐蚀。液态甲烷使用宁静性与液氢基底细同。甲烷没有毒性。甲烷的爆炸容积百分数为 5%～15%，自动焚烧温度为 540℃。

甲烷虽然易燃，但甲烷分子量较小，比空气轻，任何泄出或渗漏，都可以像氢一样，立刻上升并散失在大气中。根据宁静规则使用甲烷很宁静。

甲烷资源富厚。液态甲烷泉源于液化天然气（LNG）和固态天然气水合物（可燃冰）。在世界规模广泛存在着险些是纯甲烷的天然气水合物资源，估算资源量为 2×1013t 油当量，比现在地球上通例化石燃料储量的 2 倍还多。科学探测讲明，火星、土星的卫星等太空星球上甲烷资源也相当富厚。

甲烷价钱较自制，是液氢的 1/70；是煤油的 1/3。综上所述，液氧甲烷发念头具有氢氧发念头和液氧/煤油发念头的综合优点，是未来航天动力的生长偏向之一。2 60t 级液氧甲烷火箭发念头的研究希望 2.1 研究思路和技术途径在国家高技术 863 计划的支持下，开展了 60t 级液氧甲烷发念头研究。

该发念头为燃气发生器循环，接纳单台富燃燃气发生器、双涡轮并联甲烷/氧涡轮泵、推力室接纳甲烷再生冷却。发念头真空比冲为340s。液态甲烷和液氢同属低温燃料，有许多相似的特性。

因此，以现有氢氧发念头为技术基础和研究平台，最大限度地使用现有氢氧发念头的试验、制造能力和技术基础以及氢氧发念头研制历程中形成的有关零组件，重点研究液氧甲烷发念头燃烧装置方面的关键技术，通过须要的适应性改型设计，开展 60t 级液氧甲烷发念头原理样机的研制。2.2 液态甲烷推进剂质量指标研究 对中国油田生产的液态甲烷推进剂举行了多次取样分析，其质量身分测定效果讲明，甲烷含量均大于 98%，其它还包罗乙烷、丙烷等烃类化合物，以及少量的 N2、CO2 等。

液氧甲烷发念头燃气发生器应用该液态甲烷已乐成举行了多次挤压试验。试验讲明，该身分的液态甲烷与液氧燃烧稳定，燃烧效率与外洋液氧甲烷发念头的燃烧效率相当，基本能满足试验要求，开端选定该身分的液态甲烷作为发念头的推进剂使用。开端确定液态甲烷推进剂主要质量指标为：甲烷含量≥98%；H2S≤1ppm。

2.3 发念头质料与甲烷相容性试验 低温发念头主要使用的质料有：高温合金、钛合金、不锈钢、铜合金、铝合金、铸件以及非金属密封质料、陶瓷、胶、脂等。通过质料在液体甲烷中长时间浸泡试验，开端研究了质料和零组件与液态甲烷的相容性。

对 17 种质料或产物及组件举行长时间 14h 的浸泡试验，浸泡后恢复常温，肉眼视察零件外貌未见腐蚀，颜色未见变化。开端验证了甲烷与相关质料在静态情况下无反映；这与外洋文献报道的甲烷与大部门质料相容性良好的结论相吻合。

已举行的热试验也讲明，甲烷与相关质料相容性良好。2.4 液氧甲烷推力室喷注器缩尺试验研究 喷注器的喷雾及其燃烧是液体火箭发念头最基本的历程，也一直是主要研究课题之一。在设计全尺寸燃烧装置之前，举行喷嘴的预先试验研究是很是须要的。

接纳挤压式试验研究了 5 种甲烷液氧气液同轴直流式喷注器的燃烧性能，考察了却构参数和事情参数对喷嘴燃烧性能的影响，并从宏观察量参数比力这几种同轴直流式喷嘴的性能。缩比推力室用液氧和常温气态甲烷模拟液氧甲烷推力室头部喷注器真实事情条件。甲烷在超临界状态以上事情。

共举行了 7 次累计 90 多秒的甲烷液氧气液喷注器热试车，试验的燃烧室压力为 7.1～7.4MPa，推力室混淆比为 3.5～3.9，推力室流量约 8.4kg/s。试验后检查甲烷液氧气液燃烧积碳量甚微。由图 3 和图 4 可见，试验的甲烷液氧燃烧效率介于 0.91～0.975，与外洋试验效果相当[6～8]，与氢氧气液燃烧效率也较为靠近。

2.5 甲烷液氧燃气发生器低混淆比液液燃烧研究 举行了 10 次、累计 195s 的液氧甲烷燃气发生器挤压热试车。试验的研究规模为：燃烧室压力 6.0～7.2MPa，混淆比 0.26～0.40。

液氧甲烷推进剂在试验混淆比（0.27～0.39）规模内能可靠焚烧。甲烷液氧燃气发生器热试见图 5，热试的燃气发生器燃烧效率为 0.91～0.94，且随着混淆比升高燃烧效率有所提高。

日本液氧甲烷预燃室燃烧效率为0.935。试验中丈量了燃气发生器出口同一截面上的燃气温度。

燃气温度匀称性 ∆T= ±14K，燃气温度匀称。燃烧室压力脉动相对值为低于 3%。

试验后检查燃气发生器内积炭较少。在试验混淆比规模内，混淆比越高，积炭现象越显着。

热力盘算燃烧产物中固相炭含量随着混淆比升高而增加至混淆比为 0.45 左右，到达最大，之后随着混淆比升高逐渐降低。2.6 涡轮泵适应性研究 液氧甲烷发念头的甲烷涡轮泵和氧涡轮泵划分借用现有的氢、氧涡轮泵。氢涡轮泵通过降低转速即可满足现有甲烷泵的扬程要求。

氧泵转速稍爬升即可满足液氧甲烷发念头氧泵的扬程要求。通过泵水力试验进一步研究了液氧甲烷发念头工况条件下燃料泵和氧化剂泵的水力性能和汽蚀性能。

效果讲明，两泵的性能指标基本满足液氧甲烷发念头的技术参数要求。液氧甲烷发念头相对于现有氢氧发念头涡轮的总体设计参数也有较大的变化。

分析讲明，甲烷涡轮在不改动结构的条件下性能基本能够满足使用要求。后续举行了 3 次涡轮泵联动试验，将进一步验证借用的氢/氧涡轮泵能够适应液氧甲烷发念头的使用要求。

2.7 阀门事情适应性研究 液氧甲烷发念头阀门全部借用现有氢氧发念头相应阀门。氧路系统阀门流量相当，甲烷路阀门的体积流量均小于液氢路体积流量，因此流通能力满足要求。虽然液氧甲烷发念头甲烷路的事情压力比氢路阀门事情压力略高，可是阀门的体积流量、密封比压、活门打开宁静裕度、波纹管和阀门壳体承压能力均切合要求。3 竣事语 液氧甲烷火箭发念头性能好、资源富厚、成本低、无毒、无污染、使用维护利便，是未来航天动力的生长偏向之一。

近期乐成举行了多次 60t 级液氧甲烷发念头热试验，掌握了液氧甲烷发念头主要关键技术。以现有液氧液氢发念头为技术基础，通过须要的适应性革新，研制液氧甲烷发念头是可行的。

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