[00719050]火箭发动机特种煤油换热性能的试验研究

中国发射卫星和远程导弹所用的液体火箭发动机目前是以偏二甲胼为燃料，价格昂贵且有剧毒，使发射卫星的成本增大，安全性降低。目前各国都在开展用煤油作燃料的研究，具有价格便宜、使用安全、无毒性、无污染、且性能更好等优点，中国也在加快这方面的研究。由于液体火箭发动机燃烧室的热负荷特别高，喉部处的最大热负荷在50MW/m<'2>以上，约为大型锅炉炉膛水冷壁热负荷的100倍。为保证燃烧室筒壁的冷却，一般采用再生式冷却方式，即利用煤油作为冷却剂，同时回收热量用以预热煤油，提高燃烧性能。由于煤油的换热性能较差，并在下定温度形成结焦，危及火箭发动机的安全，因此煤油的换热和结焦性能能否达到要求成为能否应用的关键。一般，在设计中采用微通道高压高流速进行冷却，其通道当量直径为1.7mm。航天工业总公司第十一研究所为保证火箭发动机燃用国产煤油的整机试车成功，特委托该校进行该课题的研究。该课题在该校动力工程多相流国家重点实验室的泵压式高压试验系统上，对十一所提供的Φ1.7mm不锈钢和铬青铜试件，在出口压力2、5、15MPa，流速10、20、60m/s的条件下，进行了酸碱水洗煤油、加氢处理煤油、含添加剂的加氢处理煤油的换热和结焦特性的试验研究，共完成了27个工况54根试件的试验，每根试件均试验到烧毁为止。通过试验得出了煤油在各种条件下的传热特性曲线，确定了超监界压力条件下煤油的拟沸媵条件以及试件烧毁的监介热负荷，建立了换热系数计算的准则方程，并摸清了煤油的结焦速率和结焦温度，确定了中国研制的特种煤油具有良好的传热和结焦性能，可以用作为火箭发动机的冷却剂，为国产煤油的应用提供了可靠的依据。在此基础上，航天工业总公司067基地已于1995年12月完成了发动机整机试车，取得圆满成功，为中国大型液体火箭发动机使用国产煤油发挥了重要作用。推广应用情况：该成果所得煤油换热和结焦性能的试验研究结果已成果的应用于火箭发动机燃用国产煤油的整机试验，所得传热计算公式及结焦性能数据可用于煤油发动机设计。大型液体火箭发动机如以偏二甲胼为燃料，每吨价格7.5万元，如用煤油为，每吨价格为0.5万元，发射一颗大型卫星，需用燃料360吨，改用煤油可节省燃料费用2500万元。目前中国每年发射8-10颗，故经济效益十分显著。此外偏二甲胼为剧毒燃料，煤油则无毒性，且性能更好，因此发展煤油发动机可取得重大的经济和社会效益，对中国航天和国防事业的发展有重大作用。