针栓喷注式MMH/NTO推力室燃烧及传热数值仿真

为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响,采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得,流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型,流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示,采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%~3.5%;仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明:针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著;对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言,改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。     

气氧/甲烷与气氢/气氧喷注器燃烧特性对比研究

为了获得气氧/甲烷与气氢/气氧两种推进剂组合燃烧特性的异同,将氢/氧气-气啧注器的设计经验用于气氧/甲烷气-气喷注器设计,在同一燃烧室中针对气氧/甲烷与气氢/气氧同轴剪切喷注器燃烧特性开展了数值仿真与试验研究.结果表明:在喷注器设计参数相似的情况下,气氧/甲烷喷注器尺寸与气氢/气氧喷注器尺寸相当;在相同的燃烧室设计压力、结构尺寸,以及两种推进剂组合均完全燃烧的情况下,要产生相同的推力,气氧/甲烷(混合比3.5)推进剂流量约为氢/氧(混合比6.0)推进剂流量的1.27倍,气氧/甲烷燃烧所需燃烧室特征长度约为氢/氧燃烧室特征长度的1.48倍,气氧/甲烷燃烧室壁面热载约为氢/氧燃烧室壁面热载的一半.     

多喷嘴大流量气 -气喷注器设计与试验

在大流量气-气喷注器单喷嘴工况研究的基础上,为研究其在具有单元交互作用的多喷嘴工况下的燃烧特性,设计了多喷嘴推力室.喷注单元为剪切混合式单元,并具有高氢/氧速度比和氧喷嘴扩口设计,采用了能够模拟真实发动机工况的7单元同心圆排布的推力室头部结构,在对喷注单元的排布间距优化设计基础上,开展了热试车试验研究和仿真分析.结果表明所设计的喷注器在多喷嘴工况下燃烧稳定,能够在额定参数设计的燃烧室内,在SSME(space shuttle main engine)主喷注单元流量的3.7倍大流量工况下燃烧效率达到99%以上,并显示出良好的喷注器自身和带来的燃烧室身部热防护特性.      

15:1气氧/煤油变推力火箭发动机设计及试验

为了进一步提高变推力火箭发动机推力调节水平、拓宽推进剂使用范围、提升调节控制的技术能力,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款基于机械定位双调系统的气氧/煤油变推力火箭发动机,对变推力发动机的性能、针栓式喷注器的性能和机械定位双调系统的调节效果进行了研究。结果表明:气氧/煤油变推力火箭发动机在0.26～4.35MPa室压实现稳定燃烧,推力变化为57.30～864.70N,推力变化比达到15:1,最高燃烧效率达到97.14%;流量调节阀可精确调节推进剂流量,针栓式喷注器可主动控制喷注压降,达到机械定位双调系统的预期目标,展现出采用机械定位双调系统的该型变推力火箭发动机在深度变推力技术应用的优势。     

液氧/甲烷同轴喷雾及火焰稳定的试验

介绍了液氧和气态甲烷的低温同轴喷雾燃烧试验,试验使用了光学诊断方法如阴影法和火焰分光光谱法记录了试验中的喷雾和火焰信息,讨论了不同燃烧室压力和喷注无量纲数如韦伯数(We)和气液动量流率比下的雾化和火焰稳定情况。试验结果表明,燃烧室压力对射流雾化和火焰稳定有显著影响,增加燃烧室压力有利于火焰稳定于靠近喷注器面的地方,研究中没有发现火焰吹离距离和韦伯数之间有明显的关系式。液氧射流核心长度随气液动量流率比的增大而下降。雾化质量对液氧/甲烷同轴喷雾的火焰稳定性有明显的影响。     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

气气多喷嘴推力室仿真与试验研究

设计了多喷嘴氢/氧剪切式喷注器推力室,采用了13,7,5个单元排布的三种头部喷注器结构,各喷注器的喷注单元具有相同的设计参数,但尺寸不同。在燃烧流场仿真分析的基础上,设计了喷注面无冷却措施、未设计燃烧稳定装置的多喷嘴推力室,一共开展了8次热试车试验研究,并进行了壁面温度测量。结果表明各工况燃烧稳定,该喷注器构型在不同的单元排布下都具有良好的头部和身部热环境,喷注面可以不采用热防护措施,但单元排布越稀疏头部热环境越差;气气多喷嘴工况下,燃烧效率的高低既与单元流量大小相关,又受排布形式的影响。     

流场不均匀对液体火箭发动机纵向振荡燃烧影响及控制

针对常温推进剂发动机推力室再生冷却和撞击式喷注器结构,分析了推力室身部与喷注器对接部位的流场特性,对流场均匀性进行了实验测量。结果表明：推力室身部再生冷却通道出口压力存在约0.15 MPa周向不均匀。身部出口节流显著提高局部流速,使喷注器面氧化剂湍流度和不均匀性增加,进而改变燃烧特性。通过撞击喷注单元雾化试验,获得了18 m/s的推进剂入口边界流速。基于喷注器流场均匀性,提出控制推进剂流速,降低不均匀性,进而抑制纵向高频燃烧不稳定性的控制方法。发动机热试结果表明,采用（15±1） m/s的推进剂入口流速,控制方法抑制了纵向高频燃烧不稳定性。     

固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素研究

为了获得以飞行马赫数5.5巡航工作的固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素,开展了地面直连实验和数值模拟研究。利用数值手段研究了固体燃气喷注方式、扰流装置的形式以及燃烧室扩张比等因素对燃烧室性能的影响规律,获得了高燃烧效率(≥90%)的垂直喷注式发动机燃烧室构型。研究表明：1)垂直喷注方式能增强富燃燃气与空气的掺混效果,颗粒相的燃烧效率较中心支板式双火箭燃烧室构型提高了25%;2)对比不同级数的扰流装置对发动机性能影响,同时考虑扰流装置热防护问题和发动机结构复杂程度,双级扰流装置的扰流形式增强效果较优,颗粒相的燃烧效率较单级扰流装置的燃烧室构型方案提高了26%;3)对比不同燃烧室扩张比对发动机性能影响,扩张比1.6的燃烧室构型方案颗粒相的燃烧效率为95%。综上所述,本文优化得到了垂直喷注方式、双级扰流装置以及燃烧室扩张比为1.6的高燃烧效率的发动机燃烧室构型。     

单喷嘴气-气喷注器推力室燃烧流场相似性

 设计了单喷嘴容热式气-气喷注器推力室,喷注器采用同轴剪切式,氢气/氧气作为推进剂。在同一燃烧室采用了0.92~6.10 MPa范围内7个室压工况,并在同一室压下采用不同燃烧室尺寸工况进行了试验研究,在变化室压和推力室尺寸时,推进剂种类、温度、混合比和喷注速度保持不变,燃烧室尺寸变化时保持几何相似,采用燃烧室壁面测温方法对比了不同工况下内流场的相似性。研究结果表明：不同室压和不同推力室尺寸工况下的推力室内流场具有相似性。     

g-C3N4/Fe2O3复合催化剂的表征及其对AP的催化作用

为了改善固体推进剂中高氯酸铵（AP）热分解性能,降低其热分解温度,利用SEM,XRD,FT-IR对原位制备的g-C₃N₄/Fe₂O₃复合催化剂的形貌和结构进行了表征,通过差示扫描量热法（DSC）考察了催化剂对AP 热分解的催化效果。结果表明：g-C₃N₄/Fe₂O₃复合结构完整,Fe₂O₃颗粒紧密负载在g-C₃N₄上;加入不同质量分数的复合催化剂,AP的低温分解峰和高温分解峰都明显降低,且随着催化剂加入量的增加催化效果增强;加入复合催化剂质量分数5%时,高温分解峰和低温分解峰分别降低到348.1℃和281.7℃,表明g-C₃N₄/Fe₂O₃复合催化剂可有效降低AP的热分解温度,改善其热分解性能。     

Ti2AlC/TiB2/TiC复相陶瓷的制备及性能研究

采用SHS法合成了Ti_2Al C、TiB_2、TiC三相复合陶瓷粉体;应用SPS技术制备了Ti_2AlC/TiB_2/TiC块体复相陶瓷材料;采用XRD、SEM和EDS等手段对复相材料的相组成、微观形貌进行了分析。研究结果表明:在所制备的复相块体陶瓷中,Ti2Al C为基体相,TiB_2和TiC弥散分布于基体相中;复相块体陶瓷具有高的致密度,为99.6%;显微硬度平均为12.96 GPa;断裂韧性为45.28 MPa·m~(1/2),这为下一步研究其可加工性提供了实验依据。     

层状Ti3C2Tx/水性聚氨酯复合双层薄膜的制备及电磁屏蔽性能

采用交替真空抽滤制备Ti_3C_2T_x MXene/WPU复合双层薄膜,用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征了微观形貌,X射线衍射仪(XRD)测试了晶体结构,通过矢量网络分析仪测试了电磁屏蔽性能。结果表明,可以通过超声离心制备出少层Ti_3C_2T_x;复合双层薄膜具有高韧性、高导电性以及优异的电磁屏蔽性能,表面电阻为3.57Ω;电磁屏蔽性能结果表明,MWPU_(3:1)的复合薄膜屏蔽性能为37.9 dB。在X波段与K波段,MWPU_(3:1)复合薄膜性能较为优异,且复合薄膜是吸收型电磁屏蔽材料。     

SiC/SiBCN-Si3N4复合材料力学性能研究

为了深入了解SiC/SiBCN-Si₃N₄材料微观形貌与高温力学行为,建立科学可靠的定量表征方法,本文使用多种表征手段对SiC/SiBCN-Si₃N₄材料进行定量观测,首先进行材料孔隙率及密度的测试,随后进行材料高温原位力学性能测试并对材料损伤机理进行了分析,最后基于试验数据构建了一种可解释的深度学习模型,实现了材料高温非线性本构关系预测。样件力学性能分析结果表明：平均应力预测误差为0.27%~0.59%、平均应变预测误差为1.96%~3.41%;同时通过量化分析明确了影响力学性能的因素依次为温度、偏轴角度、孔隙率及密度。本文实现了不同环境温度、偏轴角度与外载荷作用下SiC/SiBCN-Si₃N₄宏观力学性能的预测,可为陶瓷基复合材料高温本构模型的建立提供新思路。     

前驱体法制备Ta4HfC5超纯超细纳米粉体

利用实验室自制铪酸酯和钽酸酯为原料,经水解缩合后得到了含铪钽元素的聚合物PHT,引入酚醛(PF)作为C源,制备了Ta_4HfC_5前驱体,经固化、高温裂解后,获得了超纯超细Ta_4HfC_5纳米粉体。通过XRD、元素分析和SEM对不同工艺条件下陶瓷产物的晶相组成和微观形貌进行了表征;对陶瓷粉体进行了粒度分析。结果表明,合成的前驱体结构稳定,常温避光储存3个月后黏度几乎没有变化,对于复材加工的工艺适应性良好。在酚醛用量3.25 wt%(以PHT质量分数100%计算)、煅烧温度为1 450℃、保温时间为1.5 h的合成条件下,可以得到纯相的Ta_4HfC_5粉体,晶粒尺寸为25～50 nm,粒径分布在100～200 nm之间,Dv(50)=136 nm。     

透波性Si3N4陶瓷铣削加工表面边缘破损实验研究

针对透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工过程中易出现边缘破损现象,通过不同铣削深度实验研究了边缘破损类型、产生位置以及切深对边缘破损影响,并分析了边缘破损产生机理,最后提出了边缘破损控制方法。结果表明:当切深为0.4~0.8 mm时,边缘破损主要集中于出口棱边和入刀侧边;且脆性域加工过程中随着切深的增加,边缘破损程度呈现增大趋势;降低切深至≤0.3 mm且采用跟随周边走刀方式,并保证入刀处刀尖线速度方向与进给方向夹角不小于90°,可以有效控制边缘破损。研究为提高透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面质量提供了技术支撑。     

铣削加工透波性Si3N4陶瓷表面质量研究

为了探索透波性Si3N4陶瓷铣削中加工表面创成机理及加工工艺参数对其影响规律,对加工表面形貌和边缘破损特征,以及加工参数与切削力、表面粗糙度、边缘破损的映射关系等开展了试验研究。首先对加工表面形貌进行了分析,由于存在陶瓷粉末去除和破碎性颗粒去除两种形式,造成加工表面形貌结构一种体现为变化平缓,而另一种包含微裂纹、层状结构体等,且存在凹坑、沟槽等缺陷。其次研究了边缘破损形式及产生机理,当刀具运动到出口棱边处,刀尖应力集中处将产生微裂纹,并向工件侧面扩展,从而在加工表面和加工侧面诱导形成边缘破损。最后基于均匀设计试验,分析了工艺条件对加工性能的影响。结果表明:随着切削深度从0. 2增加到0. 5 mm和切削宽度从1增加到4 mm时,x轴切削力呈耦合增长,y轴切削力呈二次方增长;当切削深度和切削宽度分别为0. 2 mm和1 mm、进给速度为500 mm/min时,加工表面粗糙度值最小;转速为2 000 r/min、切削深度和切削宽度最小时,边缘破损幅值最小。此结果可为提高透波性Si3N4陶瓷铣削加工质量提供技术支撑。     

Phase Transformation and Microstructure of Ti50Ni48-xFe2Ndx Shape Memory Alloys

The influences of rare earth element Nd on the phase transformation and the microstructure of Ti₅₀Ni_48−xFe₂Nd_x shape memory alloys are investigated by means of electrical resistivity, optical microscopy, electron probe microanalyzer, and X-ray diffraction. The results show that TiNiFe alloys with different Nd contents exhibit two-step martensitic transformation. The start temperature of martensitic transformation increases sharply from 212 K to 267 K when 0.1 at.% Nd is added in, and then decreases gradually if Nd content further increases. The microstructure of TiNiFeNd quaternary alloys consists of TiNi matrix, Ti₂Ni second phase, and Nd₃Ni intermetallic compound. The spherical Nd₃Ni precipitate-particles evenly disperse in the matrix.     

高体分SiCp/Al复合材料表面吸附氦气特性

针对高体分SiC_p/Al复合材料气密性问题,系统研究了镀覆、原材料方向性对表面氦气吸附性能影响规律。研究发现该材料经镀覆处理后,其表面氦气吸附合格率提高20%,且随着镀层厚度的增加合格率逐渐提高;不同的机械加工方式对表面氦气吸附合格率影响较小;原材料存在方向各异性,横向切削下料方式下氦气吸附合格率高达91%,纵向切削下料方式下合格率仅为68%。