复合调节固冲发动机性能分析

阐述了现行固冲发动机固定几何简单结构进气道和喷管的主要问题,提出了进气道和喷管的调节需求,并对进气道可调、喷管可调及进气道/喷管复合调节固冲发动机性能进行了对比分析。结果表明,单独进气道调节时,因喷管喉道面积较大,大部分情况下推力和比冲性能下降;喷管调节可使进气道保有的最佳性能充分发挥,发动机性能提高;进气道/喷管复合调节可完善发动机高速巡航时的热力循环,大幅提高固冲发动机的性能。     

基于试验数据的固冲发动机喷管损失估算

综合固冲发动机实验数据处理与分析方法,对固冲发动机补燃室特征速度燃烧效率和喷管流量系数进行估算,并结合热力计算程序确定喷管性能损失.研究表明,补燃室压强的变化对燃烧效率的影响是有限的,喷管损失主要与喷管结构尺寸有关;应用该方法可用少量工况的实验数据对理论计算进行修正,为固冲发动机总体初步设计和性能分析提供工程方法,对提...     

固冲发动机补燃室非稳态沉积过程分析

采用随机轨道模型,基于动网格技术,分析了固冲发动机补燃室非稳态沉积过程中燃气流动边界形状变化对燃气流动及沉积分布的影响,得到了补燃室内壁面的非稳态沉积规律,对直连试验中出现的进气道出口拐角烧蚀沟槽现象进行了理论分析。研究发现,不同粒径的粒子在补燃室内的分布特性差异较大;凸起的沉积块可改变燃气流向,使进气道出口拐角处的高温区变大,易形成沟槽;点火初期,掺混区进气道之间的沉积速率较大。     

固冲发动机沉积数值模拟与试验研究

分析了液滴撞壁模型的发展概况,基于Mundo模型,分析了粘附、反弹、飞溅3种状态的固冲发动机沉积模型,并对发动机内沉积问题进行了数值模拟与试验研究.结果表明,发动机内沉积主要集中在补燃室头部、进气道下游、冲压喷管收敛段;颗粒粒径分布对沉积位置影响很大;由试验压强-时间曲线换算得到的冲压喷管喉部沉积速率与数值模拟结果基本相符.     

固冲发动机设计点性能迭代计算(英文)

固冲发动机热力学性能参数计算是发动机性能计算的重要部分,通常是针对特定的推进剂建立热力学数据表格,然后通过插值取得相应参数。通过对NASA CEA程序进行二次开发,使其成为便于应用的子程序,并以补燃室热力计算为基础,通过给定推进剂配方、进气道总压恢复系数、补燃室燃烧效率、比冲效率等设计参数,建立了满足总体推力要求的固冲发动机设计点性能迭代计算方法,为固冲发动机方案设计提供了一种实用工具。     

固冲发动机射流控制可调进气道研究

针对固定几何形状固冲发动机超音速进气道在超额定状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室引入燃气喷入外压缩面和喉道实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案,采用数值模拟方法摸索了实现调节的燃气喷射规律,验证了方案的可行性。研究表明,采用射流控制方案可实现固冲发动机进气道调节,通过调节可使外压缩波系保持封口,进气道工作在额定状态,均化了入口流场;喉部射流注入可有效减小主流的流通面积,提高内收缩比,并减小了喉道出口下壁面附面层厚度,进气道出口总压恢复提高显著。     

可调冲压喷管变流量固冲发动机工作特性分析

不可调固冲发动机在飞行中常处于非设计工作点,为改善该类发动机工作性能,目前大多采用燃气流量调节法.若同时调节冲压喷管,则可大幅改善固冲发动机的适应性.基于一维气动理论,建立了可调冲压喷管变流量固冲发动机的数学模型,计算得到了其工作特性.分析表明,与不可调固冲发动机、燃气流量可调固冲发动机相比,可调冲压喷管变流量固冲发动机具有工作域大、阻力低、溢流少、进气道总压损失少及比冲高等优势.     

喷口数与进气道角对固冲发动机补燃室气流掺混的影响

采用N S方程和k ε双方程湍流模型,离散后采用迎风格式进行数值求解,对管道式固体火箭冲压发动机补燃室内燃气与空气的掺混过程进行了数值研究。分析了多孔喷管结构以及进气道角度对补燃室内气流掺混的影响。计算结果表明:具有4喷口的喷管掺混效果优于单喷口的喷管;与30°进气道相比,沿轴向横截面上45°进气道所形成的回流区向进气道一侧偏移,回流区区域减少,强度减弱。     

补燃循环发动机推力调节研究

推力调节是提高液体火箭发动机适应性和运载火箭性能的有效措施。研究认为补燃循环发动机最佳的推力调节方案是调节预燃室中较少组元的流量。通过控制预燃室的温度,改变涡轮泵的功率,最终达到调节推力的目的。由于补燃循环发动机推力调节时。对预燃室温度的影响较大,推力向上调节幅度不宜过大,但可进行较大幅度的向下调节。上述推力调节方案对发动机比冲的影响很小,可以忽略不计;对发动机混合比的影响也较小,只需在大范围推力调节时考虑;推力调节速率不宜过快,应小于20％／s。     

下颌式进气道固冲发动机二次燃烧性能研究

针对采用下颌式进气道的固体火箭冲压发动机,建立了二次燃烧性能计算模型,对掺混燃烧性能进行了仿真研究。研究表明,采用掺混装置可大幅提升下颌式进气道的固冲发动机补燃室一次燃气和空气的掺混均匀度,并通过数值仿真对掺混装置进行了优化。结合数值仿真优化结果,通过地面直连试验,验证了不采用与采用掺混装置的补燃室二次燃烧性能。试验结果表明,合理设计掺混装置,可显著提高补燃室二次燃烧性能,特征速度燃烧效率均在93%以上;空燃比在6~20之间的发动机高空比冲提升了55%以上,空燃比在20~30之间的发动机高空比冲提升了75%以上。     

水下固体火箭发动机的负推力现象研究

针对水下固体火箭发动机工作环境压强高的特点,结合固体推进剂的燃烧特性,采用UDF方法定义喷管入口边界条件,建立了固体推进剂燃气质量生成与水下超音速气体射流的耦合计算模型。将该模型的计算结果与水下固体火箭发动机的实验测量结果进行对比,验证了该模型的合理性。研究发现,水下固体火箭发动机在点火初期会出现负推力现象,负推力产生的原因是发动机点火初期,喷管内被过度压缩的燃气冲出喷管后,在喷管尾部形成一个超音速燃气泡,超音速流动使泡内压强降低;同时受到流动惯性作用的影响,气泡持续膨胀使泡内压强进一步大幅降低,发动机前后端面上的压差最终导致负推力现象产生。     

进气道堵盖打开过程数值模拟

为获得整体式固冲发动机转级过程中进气道堵盖(包括入口堵盖与出口堵盖)打开过程的流动形态,建立了进气道二维模型,利用Fluent动网格技术和UDF方法,开展了进气道堵盖打开过程非稳态流场研究。结果表明,在入口堵盖打开前,进气道前端形成强烈的弓形激波;在入口打开、出口未开的过程中,沿进气道轴向各监测点压强呈现周期性变化,振荡频率为100 Hz左右,出口堵盖位置压强振荡幅值为0.53 MPa;在出口打开后,补燃室残余热量形成的压强峰导致进气道在短时间内无法起动,随着背压降低至小于进气道再起动反压,进气道完全起动。     

固体火箭冲压发动机一体化CAD系统设计

针对固体火箭冲压发动机的特点，研制了固体火箭冲压发动机CAD软件，该软件系统包括了燃气发生器设计、助推补燃室设计、进气道设计、发动机性能计算和飞行弹道的计算。使用该系统可进行固体火箭冲压发动机总体方案论证，预估发动机的主要结构尺寸和发动机的整体性能。本文以一假想的空－空弹用固冲发动机方案设计为例，介绍固冲发动机设计步骤和软件系统的特点。     

富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。     

后置燃气发生器的新型固冲发动机工作过程数值模拟

进行了后置燃气发生器的新型固体火箭冲压发动机直连式试验,并对实验演示用发动机补燃室三维内流场进行了数值模拟,将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。采用单因素比较分析的方法,研究了一次燃气喷射方式与补燃室长度对固冲发动机性能的影响。结果表明,一次燃气喷射角度为150°时的燃烧效率比60°时高14%,补燃室燃烧效率在一次燃气喷射角度为180°时达到最大值;8喷口的燃烧效率高于4喷口;补燃室长度增加,燃烧效率增大,补燃室长度为149 mm时的燃烧效率比99 mm仅高5%。     

基于热力计算的固体火箭冲压发动机理论性能研究

研究了固体火箭冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算程序对含铝镁和含硼贫氧推进刺进行了计算,分析了在设计点处补燃室温度、冻结流比冲、平衡流比冲随空燃比变化的趋势,以及比冲随补燃室压强变化的趋势.计算结果表明,冻结流比冲低于平衡流比冲;在合理空燃比区内,选取空燃比作为设计值,有利于提高发动机性能;提高补燃室压强和选用高能推进剂都能有效提高比冲,但补燃室压强的提高受进气道设计的制约.     

固液发动机燃面退移控制因素分析

为获得固液发动机固体燃料燃面退移的控制因素和机理,开展了数值仿真和试验研究。建立二维轴对称计算模型,考虑燃料与氧化剂的混合燃烧和流动过程,计算得到了固液发动机工作过程中的温度、压强、速度和组分的分布,以及不同时刻固体燃料的燃面形貌。仿真与试验结果的对比证明了计算方法的有效性。结果表明:固液发动机的燃面呈现显著的非平行退移特征;燃烧室压强对燃面退移不均匀性的影响可忽略;控制燃面退移的主要因素是燃气传向固体燃料表面的热流密度,燃料表面的温度变化是宏观表现。在靠近喷嘴位置,燃面退移的热量传递主要受燃烧反应过程控制,而靠近喷管处燃面退移的热量传递主要受燃气流动过程控制。研究为固液发动机的装药优化设计和高效燃烧组织提供了理论依据。     

加力式空气涡轮火箭发动机特性研究

通过ATR发动机总体性能仿真,研究了加力式ATR发动机特性。将燃气发生器及补燃室的热力计算模块集成到压气机与涡轮的共同工作点非线性气动热力模型中,计算考虑了变比热容影响。仿真结果表明,注入加力推进剂可有效提高发动机比推力,但比冲会降低;加力ATR发动机性能与设计点参数、设计点有无加力及加力推进剂流率大小有关;发动机需精心匹配,以保证补燃室内二次燃烧的混合气组分有较高的焓值和合适的余氧系数,从而获得较高的发动机性能。在非设计点上,对于调节计划为相对转速不变的加力ATR发动机而言,在尾喷管喉部面积不变时,需同时调节涡轮燃气发生器和加力推进剂流量,发动机为双变量控制。     

侧向旋转射流进气对固冲发动机性能的影响

采用Reynolds应力方程模型及涡耗散燃烧模型,在不同旋转工况下给定相同进气流量,对侧向进气固冲发动机补燃室湍流反应流场进行了数值计算,得到了燃烧产物的平衡组分、燃烧温度和其他热力学参数,并在此基础上计算了补燃室燃烧效率、发动机推力等参数。数值模拟表明,对于侧向进气固体火箭冲压发动机,在空气射流中引入旋转流动,能有效提高补燃室内的燃烧效率,进一步提高发动机性能。燃烧效率随旋流强度呈先增大、后又减小的规律。采用最佳旋流数的旋转进气后,可使发动机推力提高约2.3%。     

某型固体火箭冲压发动机补燃室内流场仿真

基于简单反应的漩涡分裂模型,建立了固体火箭冲压发动机补燃室内的湍流燃烧模型,并在该模型下对某实验发动机进行了三维数值模拟,获得了补燃室内的流场结构。分析了补燃室燃烧效率的变化和发动机的性能,并研究了补燃室设计参数包括进气道出口设计参数对燃烧效率的影响。通过计算与分析,为固体火箭冲压发动机补燃室设计提供了一些建议。