위성을 발사하는 로켓 연료는 부피가 작고 무게가 가벼워야 하지만, 더 많은 열을 방출해야 로켓의 무게를 줄이고 위성이 빠르게 궤도에 진입할 수 있다. 액체 연료가 방출하는 에너지는 크고 추력도 크다. 그리고 이 연료는 통제하기 쉽고 연소 시간이 길다. 그래서 위성을 발사하는 로켓은 대부분 액체 연료를 사용한다.
액체 로켓 엔진은 액체 추진제를 사용하는 화학 로켓 엔진을 말한다. 산화제와 가연성 물질은 반드시 다른 항아리에 저장해야 한다. 액체 로켓 엔진은 일반적으로 스러스트 챔버, 추진제 공급 시스템 및 엔진 제어 시스템으로 구성됩니다. 추력실은 액체 추진제의 화학에너지를 추진력으로 바꾸는 중요한 부품이다. 추진제 노즐, 연소실 및 노즐 부품으로 구성됩니다. 추진제는 분사기를 통해 연소실에 분사되어 안개, 증발, 혼합, 연소 후 연소산물을 발생시켜 고속 (2500-5000m/s) 으로 노즐을 튀어나와 추진력을 발생시킨다. 연소실 압력은 200 개의 기압 (약 20OMPa), 온도 300 ~ 400 C 에 달하며 냉각이 필요합니다. 추진제 공급 시스템의 기능은 필요한 흐름과 압력에 따라 추진제를 연소실로 수송하는 것이다. 운송 수단에 따라 스쿼시 (공압) 와 펌프라는 두 가지 유형의 공급 시스템이 있습니다. 압착 공급 시스템은 고압 가스를 이용하여 감압기를 통해 감압 (산화제와 연소제의 유량은 감압기에 의해 설정된 압력으로 제어됨) 하여 산화제와 연소제 저장통을 각각 연소실로 압착한다. 압착 공급 시스템은 작은 추력 엔진에만 사용됩니다. 고추력 엔진은 펌프 공급 시스템을 사용하며, 이 시스템은 유압 펌프를 사용하여 추진제를 운반한다. 엔진 제어 시스템의 역할은 엔진의 작업 절차와 매개변수를 조정하고 제어하는 것이다. 작업 절차에는 엔진 시동 및 작업이 포함됩니다. 종료 3 단계, 이 과정은 예정된 절차에 따라 자동으로 진행됩니다. 작업 매개 변수는 주로 추력 및 추진제 혼합비를 나타냅니다. 액체 로켓 엔진의 장점은 비충격 (25o ~ 5o 초), 추력 범위 (단일 추력 1g ~ 700t), 반복 시동, 추력 제어, 작동 시간이 길다는 것입니다.
액체 로켓의 추진제는 사산화 질소-히드라진 (이메틸라진, 메틸라진, 히드라진), 액산소-등유, 액수소-액산소 등이다.
사산화 이질소-추진제는 광범위하게 응용되며 저장이 가능하며, 플루토늄과 접촉한 후 자연 연소되어 신뢰성이 높다는 특징이 있다. 사산화 질소-히드라진은 전략 미사일에 처음 사용되었고, 나중에는 우주운송로켓에 사용되었다.
소련 SS-7, SS- 18, SS- 19, 미국 헤라클레스, 중국 장정 1, 2, 3 로켓, 러시아 양성자 로켓
사산화질소-히드라진의 비충은 230 초 정도 괜찮지만 추진제와 연소산물은 독성이 강하기 때문에 각국의 차세대 수송로켓은 더 이상 사용되지 않는다.
고급 액체 산소 (등유) 로켓 엔진
우주 기술은 현대 과학기술이 가장 빠르게 발전하는 최첨단 기술 중 하나로, 한 국가의 과학기술 수준과 국가 경제력의 종합 반영이며, 한 국가의 과학기술 수준의 중요한 상징이자 종합 국력의 상징이다. 우주 기술은 수학, 현대 역학, 자동 제어, 전자 컴퓨터, 진공, 저온 기술 등 많은 기초 과학과 신기술을 고도로 융합하고 있다. 그것의 발전은 신소재, 공간물리학, 우주의학, 생명과학 등 많은 기초과학과 현대기술의 발전을 촉진시켰다. 우주 기술의 발전과 우주 환경의 응용은 일련의 예상치 못한 기술 혁신을 불러일으켰다. 현재 일부 선진국들은 우주 기술 산업을 미래 발전의 전략적 중점으로 큰 공간의 이념으로 미래 국민경제 발전의 청사진을 설계하고 있다. 그들은 첨단 산업의 발전을 주도하는 기술로, 첨단 산업의 다른 많은 기초산업의 발전을 이끌고 신기술, 신소재, 새로운 에너지의 발전을 촉진할 수 있다고 생각한다. 우주 기술은 국민 경제 발전에서' 가속기' 와' 승수' 의 역할을 할 것이다.
우주과학기술공업의 발전은 우리나라가 직면한 인구와 자원, 환경과 재해, 교통과 운송, 교육과 문화 등 중대한 사회문제를 해결하는 데 대체불가의 추진 역할을 했다. 동시에, 우주 기술의 국방 건설에 대한 중요한 의의는 이미 공인되었다. 현재 전략 전술 미사일, 위성 항법 위치 확인, 군사지도 정찰, 작전 지휘 통신 등이 국방건설에서 광범위하게 응용되어 뚜렷한 효과를 거두고 있다. 우주는 현대 군사 경쟁의 제고점이며, 우주기술과 국방기술은 분리하기 어렵다. 특히 전략적 억제력과 현대전쟁에서는 더욱 그렇다.
우주 기술이 엄청난 사회적 경제적 이익을 창출하는 주된 방법은 위성의 응용을 통해 로켓을 실어 나르는 데 매우 중요한 역할을 하는 것이다. (존 F. 케네디, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 우주명언) 지난 40 년 동안 중국 항공우주과학기술공업이 자체 개발한 장정 시리즈 수송로켓은 전체 스펙트럼 수송 능력에 도달하여 중국이 자체 개발한 통신, 반환식 원격 감지, 기상 등 응용위성을 정지, 근지, 태양 동기화 등 다양한 궤도에 성공적으로 들여왔으며 서독, 호주, 스웨덴, 프랑스, 미국 등 국가를 위해 위성 또는 기타 유효 하중을 발사하는 데 성공했다. 중국 장정 로켓은 세계 발사 시장의 주력 수송수단 중 하나가 되어, 활보하며 국제상업발사시장에 진출해 중국 우주계가 국제우주계에 자리를 잡게 하고, 명성을 얻고 사회주의 중국의 종합력을 과시하였다 (그림 1, 표 1a, 표/Kloc 참조)
중국의 우주 기술은 큰 성과를 거두어 세계의 관심을 끌었지만, 우리는 우리의 부족한 점을 분명히 인식해야 한다. 현재 우리나라의 기존 장정 시리즈 수송로켓은 전략 무기에서 진화해 왔으며, 그 추진제 (이메틸라민/사산화질소) 는 독성이 크고 오염이 심하며 가격이 비싸고 성능이 떨어지는 단점이 뚜렷하다. 미국, 프랑스, 구소련 등 우주대국들은 추진제의 독성과 오염 문제를 매우 중시한다. 미국은 1970 부터 UDMH 의 현지 생산을 금지했고, 프랑스 아리안 로켓이 사용한 UDMH 는 이미 소련에서 구입했으며 프랑스령 기아나 쿠루의 지역 우주발사센터에서 발사되지 않았다. 구소련이 해체될 때까지 UDMH 사용은 금지되어 있다. 세계 각국이 환경보호에 대한 중시가 높아지면서 가까운 장래에 세계 각국이 이메틸라진을 로켓 추진제로 생산하고 사용하는 것을 금지할 가능성이 높다. Udmh 독성 때문에, 사람의 간에 손상이 있다. 특히 사산화 이질소/이메틸라진의 연소 산물은 인체에 더 해롭고 환경을 심각하게 오염시킨다. 이런 추진제를 사용하여 엔진 실험에 종사하는 근로자의 60% 는 서로 다른 정도의 간병을 가지고 있으며, 보편적으로 아미노 전이 효소가 높다. 조직 로켓 발사로 인해 N2O4 누출로 이미 여러 명이 사상자를 냈으며, 결과는 비교적 심각하다. 장정 운반 로켓은 오늘날 세계에서 가장 믿을 만하고 기술적으로 가장 안정적인 운반 로켓 중의 하나이다. 그러나 최근 몇 년 동안 장정 로켓 발사 실패로 다양한 정도의 인명피해가 발생했다. 추진제의 독성이 크고 오염이 심한 문제가 우리 각급 지도자들의 중시를 불러일으켰고 참석자들의 공포도 증폭시켰다. 발사 실패는 심각한 결과를 초래하지 않았지만 참가자들의' 생존' 과' 두려움' 의 감정은 여전히 강렬하다. 이것은 조직 투입에 약간의 어려움을 가져왔다. 한편 추진제 가격이 높아져 발사 비용이 늘면서 장정 로켓은 국제발사시장에서 가격 경쟁력이 뚜렷하지 않고 두드러진 문제다. 어떻게 운반 로켓의 신뢰성을 높이고 발사 비용을 낮추고 경쟁력을 강화하는 것이 우리나라 운반 로켓의 산업화 과정을 가속화하는 관건이다.
선진적인 운반 로켓을 가지려면 먼저 선진적인 동력 시스템인 로켓 엔진이 있어야 한다. 로켓 엔진은 운반 로켓의 심장으로 저비용, 무공해, 높은 신뢰성, 고성능, 사용 안전, 조작이 편리하다는 특징이 있다. 액산소/등유 로켓 엔진이 동력 전달장치로서의 장점은 우선 등유가 상온 추진제로 사용하기에 편리하고 안전하다는 점이다. 메탄, 프로판, 수수소는 저온 추진제로 저장, 운송, 충전, 조작이 쉽지 않아 유출 후 화재와 폭발, 특히 수수소가 발생하기 쉽다는 점이다. 둘째, 등유 가격이 저렴하고, 킬로그램당 등유 가격이 수소인1100 과 이메틸라진의 1/30 에 불과해 엔진 개발 비용과 발사체 발사 비용을 크게 낮출 수 있다. 20T 저궤도 유효 하중 (예: 수수소/액산소, 사산화 이질소/이메틸라민) 을 발사하는 2 급 반방안 추진제는 3000 만원, 전액산소/등유 방안의 추진제 비용은 654 만 38+0 만원. 셋째, 액체산소와 등유의 조합밀도가 높은 것은 이상적인 다음 단계 (추진급과 심급급) 엔진이며, 약간의 개선도 이상적인 상급 엔진으로 사용될 수 있다. 넷째, 우리 나라는 등유 자원이 풍부하고 저장량이 어마하여 장기적인 수요를 충족시킬 수 있다. 우리나라 클라마이 유전에서 채굴된 등유는 고리탄기 중간 원유로 응고점이 낮아 로켓 추진제 등유의 기준에 완전히 부합한다. 현재 5 억 톤이 넘는 저장 용량이 발견되어 연간 생산량 200 만 톤으로 계산하면 50 년 이상 연속 채굴할 수 있다. 이와 함께 우리나라 흑호산 요하 승리 유전의 합격원유 매장량도 풍부하다. 액산소/등유 엔진의 각종 연구 실험과 두 차례의 열시운전의 성공은 국산 등유가 사용 요구를 충분히 만족시킬 수 있다는 것을 충분히 보여준다. 다섯째, 액산소/등유 엔진을 사용하면 사산화 이질소/이메틸라진의 독성, 오염 환경의 심각한 부족을 완전히 없앨 수 있다. 여섯째, 액산소/등유 엔진은 발사체의 모듈식 설계를 실현할 수 있으며, 서로 다른 조합으로 서로 다른 하중의 발사 임무를 완수하여 우리나라의 차세대 발사체 시리즈를 형성할 수 있다. 위의 장점은 선진 전력 시스템의 요구와 발전 방향을 반영한다.
최근 10 년 동안 대형 발사체 동력 시스템과 천지 왕복 운송 시스템에 대한 기술적 논증, 연구 및 핵심 기술 공관을 거쳐 국가는 액산소/등유 고압 가력 엔진을 개발하기로 결정하여 이미' 863' 계획에 포함되었다. 이것은 의심할 여지없이 중국 항공우주기술 수준을 높이는 중요한 조치이자 중국 운반로켓 산업화 과정을 가속화하는 현명한 조치이다.
최근 몇 년 동안 저는 대형 발사체 동력 시스템과 천지 왕복 운송 시스템의 논증,' 863' 액산소/등유 엔진의 예연과 핵심 기술 연구에 참여해 왔습니다. 최근 몇 년간의 업무 진전으로 볼 때, 액산소/등유 고압 가력 엔진의 기술은 매우 선진적이며, 오늘날 액체로켓 엔진 분야의 최고 수준을 대표하며, 그 선진성은 다음과 같은 방면에 나타난다.
1, 고급 폐회로 순환 시스템. 이 시스템은 연료의 화학 잠재력을 최대한 활용할 수 있다. 가력 연소 엔진은 등급 연소 엔진이라고도 한다. 이 시스템에서 추진제 그룹은 예연실에서 연소하여 저온과 유량이 많은 가스 구동 터빈을 생성한 다음 작업가스를 연소실로 가져와 완전히 연소한다. 오픈 사이클 시스템에서 터빈 배기의 에너지 손실을 방지합니다 (그림 2: 오픈 사이클 시스템 참조). 그림 3: 닫힌 루프 시스템). 폐순환 엔진은 연소실 압력을 크게 높여 연소 효율을 높이고 폐순환 시스템만 사용하면 비충 6% 이상을 높일 수 있다. 2 단 반로켓의 경우 이륙 품질이 같을 때 유효 하중이 30% 이상 증가할 수 있습니다. 만약 페이로드가 같다면, 운반 로켓의 이륙 중량은 20% 감소할 수 있다. 발사 1kg 페이로드의 전체 수명 주기 비용은 약 16% 감소합니다. 이 엔진 실험기를 이용하여 2 월 1995 1996 1 시스템 전체의 고압 가력 엔진을 두 번 테스트했다. 진공 추력은 85T, 진공비는 3500m/s, 혼합비 K 는 2.34-2.6 사이입니다.
고급 연소실 혼합 이젝터. 후연 순환 시스템에서 산화제는 모두 예연실에서 기화한 후 연소실로 들어가 연소실로 연소하여 기체 연소를 실현하고, 기체 연소는 엔진의 연소 안정성을 크게 높였다. 연소 안정성을 더욱 향상시키기 위해 이젝터는 다양한 길이의 노즐에 의해 여러 영역으로 나뉩니다. 기체-액체 노즐은 동축 내 혼합형으로 길이가 1/4 파장으로 수백 개의 작은 공동을 형성하여 효과적으로 감쇠 진동을 일으킵니다. 또한 정류장치는 연소실 상류에 배치되어 불규칙한 터빈 배기를 정비하고 이를 연소실로 끌어들인다. 고압 보연 순환 시스템은 불안정한 연소라는 기술적 핵심 문제를 해결하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 연소 효율을 크게 높인다. 우리는 인젝터에서 혼합 안개 실험을 했고 엔진에서 열시운전을 했다. 실험 결과 고압 보연 순환 시스템의 연소 효율이 0.98 에 달하는 것으로 나타났다.
3. 선진적이고 교묘한 연소실 냉각 조치. 등유를 냉각수로 사용하는 문제는 이미 수십 년 동안 논쟁을 벌였다. 대량의 열 전달 실험과 계산 분석을 거쳐 적절한 조치를 취하는 것은 완전히 해결할 수 있다는 것을 보여준다. 클라마이 등유를 연료로 하는 두 차례의 시운전을 거쳐 작업시간은 각각 10 초와 50 초이며, 연소실은 온전하며 처음처럼 깨끗해 등유를 엔진 냉각제로 사용하는 것이 완전히 가능하고 효과도 매우 이상적이라는 것을 보여준다. 연소실 냉각 구조 설계에서 일련의 조치가 취해졌다. 첫째, 목구멍 앞에 세 개의 냉각 구역을 설치하는데, 그 흐름은 추진제 총 유량의 2 ~ 3%, 등유는 첨부 벽으로 위로 회전하여 연소실로 들어간다. 둘째, 연소실 노즐은 팽창비 8 단면에서 원통형 단면까지 나선형 냉각 슬롯을 사용하며, 목 근처의 냉각 홈은 파형으로 가공되어 냉각 효과를 높여 내벽 온도를 약 40 C 낮출 수 있습니다. 셋째, 저온 등유는 수렴 세그먼트에서 냉각 상자로 들어가 가장 큰 열 흐름을 가진 목 부위를 먼저 냉각시킵니다. 이 조치는 40℃ 온도차의 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 조치 외에도 내벽 니켈 크롬 내열층은 가스 벽 온도를 30 ~ 40 C 낮추고 열전도성이 좋은 내벽 재질을 선택할 수 있습니다. 상술한 조치는 열시험 운행을 거쳐 매우 효과적이라는 것을 증명했다.
4. 믿을 수 있고 다양한 씰. 엔진 부품은-200 C ~ 3500 C 의 고온 및 저온 환경을 견뎌야 하며, 압력은 150 ~ 500 개의 기압이다. 강한 진동 환경에서 엔진의 밀봉 문제는 치명적인 문제이다. 해당 씰 구조는 현지 조건에 따라 설계해야 합니다. 과거에는 플랜지 사이에 서로 다른 재질의 개스킷이나 "O" 링 구조를 사용했으며, 중간 및 작은 지름의 커플링은 대부분 볼 헤드 나팔 구조를 사용했습니다. 이런 낙후된 밀봉 구조는 선진 엔진의 높은 신뢰성과 높은 성능의 요구 사항을 만족시킬 수 없다. 이를 위해 우리는 각종 밀봉 구조에 대해 연구와 실험을 진행했다. 저온액산소밀봉은' ܙ' 와' 고리' 로, 고온가스밀봉용 디스크 개스킷, 고압액체와 가스밀봉용 볼, 볼헤드 슬롯, 다른 소재의' O' 링으로 기압이 누출에 적합하다. 터빈 펌프의 밀봉이 더 중요하다. 엔진의 여러 번 작업에 적응하기 위해 마찰열을 방지하고 마모를 줄이며 해제 밀봉을 채택했다. 터빈이 회전하지 않을 때, 그것은 정적 밀봉이다. 터빈 펌프의 회전 속도가 미리 결정된 값에 도달하면 압력을 제어하여 밀봉 부분을 분리합니다. 이런 선진적인 밀봉 형식은 신뢰성과 서비스 수명을 크게 높였다.
고급 사전 로딩 터빈 펌프. 터빈 주 펌프가 정상적으로 작동하고 캐비테이션을 피하기 위해서는 펌프 수입에 일정한 압력이 있는지 확인해야 한다. 펌프 입구 압력이 높으면 로켓 탱크 압력이 증가해야 합니다. 그러면 운반 로켓 탱크 구조의 무게가 증가합니다. 로켓의 구조적 무게를 줄이고 운반 능력을 높이기 위해서는 펌프 수입 압력을 최대한 줄여야 한다. 따라서 주 펌프 앞에 사전 압축 터빈 펌프 세트를 설치합니다. 사전 압축 터빈 펌프는 주 터빈 뒤에서 산소가 풍부한 몸을 산화제로 추출하여 터빈을 구동한 다음 산화제의 주류로 배출합니다. 주 석탄 오일 펌프 뒤에서 추출한 고압 등유는 등유 사전 압축 터빈 펌프의 작동 매체로 터빈을 불어 사전 압축 펌프를 거쳐 주류로 배출된다. 이런 사전 압축 터빈 펌프 시스템은 설계 구상이 참신하고 구조가 교묘하며, 특히 산소가 풍부한 몸이 작동한 후 액산소의 주류에 진입할 때 더욱 그렇다. 이 디자인 아이디어는 매우 대담하고 교묘하다. 현재 사전 압축 터빈 펌프에서 대량의 액체 흐름 냉태 실험을 진행했으며, 엔진은 열상태 실험에서도 성공을 거두었다. 사전 압축 펌프 구조를 사용하면 주 펌프 전 압력이 6 개의 기압을 높일 수 있지만 연료 탱크 압력은 2 개의 기압에 불과합니다.
6. 고급 탄성 지지. 엔진은 전체 발사체의 주요 진동원이다. 작업 시 엔진의 각 부품은 고주파와 저주파, 일부 부품은 수십 ~ 수백 G 까지 가속되기 때문에 각 부품의 연결과 고정 형태가 매우 중요한 문제입니다. 예를 들어, 지름이 몇 밀리미터나 더 큰 도관과 연결된 큰 밸브는 강한 진동을 견딜 수 있도록 과학적으로 설계되어야 합니다. 고정 지지의 진동 방지 효과를 완전히 조이는 것은 좋지 않지만, 적절한 탄성 지지로 진동 수준을 낮출 뿐만 아니라 부품 및 엔진의 * * * 진동 문제를 해결하는 데도 도움이 됩니다. 또한 진동과 느슨함을 방지하기 위해 모든 조임쇠를 조일 때 접착제를 발라야 한다. 특히 천지 왕복 운송 시스템과 유인운송기에서는 운송기의 신뢰성이 매우 높기 때문에 방진방송 문제가 매우 중요하므로 만유의 실수가 없도록 보장해야 한다. 이를 위해 우리는 많은 연구와 실험을 진행했다.