镁-二氧化碳冲压发动机粉末燃料供应特性研究

为了研究镁-二氧化碳冲压发动机粉末燃料供应特性，搭建了粉末流量实时监测系统、高背压模拟系统和粉末喷注可视化实验系统，对所供应粉末流量的准确性和稳定性、不同载气流量下供粉状态和粉末喷注特性等供应性能进行了详细分析。结果表明：采用气固两相流壅塞式供应方式，可以确保供应系统在模拟发动机工作过程中的高背压环境下稳定且精确地供应粉末，实测粉末流量与理论最大偏差4.8%；为保证发动机工作稳定性，燃烧试验应在载气压力稳定阶段开展，此过程中供粉流量仅与活塞速度和粉末装填密度有关；在研究的载气流量范围内，载气流量对供粉流量影响不明显，但对粉末喷注特性有显著影响。粉末喷注速度随载气流量增大而线性增加，同时喷注锥角随载气流量增大则先减小后增大。综合粉末掺混、分散和发动机组织燃烧性能等多方面考虑，为提高模型冲压发动机理论燃烧性能，在后期点火试验中载气流量与粉末流量比可以初步设计在0.68附近。     

粉末推进剂流化过程及高压流化机制分析

为深入探究粉末发动机推进剂供给装置内的粉末流化特性,通过搭建粉末高压流化过程的可视化实验系统,开展了0.3～5MPa压强条件下粉末流化过程和流化特征研究,并结合压强信号的均方差分析结果以及颗粒起动的各类学说,详细分析了粉末流化模式以及高压流化机制。结果表明:随压强升高,粉末表现出不同的流化模式,其中在低压(1.5MPa)流化模式时,其流化压强均方差最小,粉末为局部波动状态;过渡阶段流化模式时,其流化压强均方差最大,不稳定气固分界面形成;而高压(2.3MPa)流化模式时,在活塞与流化进气的双重作用下,储箱内可形成稳定的气固分界面,为粉末推进剂的稳定输送提供了有力证明;粉末的高压流化机制为颗粒斜面飞升与湍流共同作用的结果。     

粉末火箭发动机研究进展

新型粉末火箭是以颗粒形态燃料或氧化剂为主要推进工质,以少量流化气体为输送介质的火箭推进系统,具有推力可调、多脉冲工作的功能和结构简单、环境温度适应性强、工作可靠性高等性能优势,在近地空间开发、深空探测等领域具有深远的研究价值。本文针对粉末火箭发展历史及技术现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末推进剂装填与改性、粉末供给输送、粉末喷注与燃烧等主要关键技术,并对包括冷态标定、常压点火以及样机试车等粉末火箭发动机系统研究过程进行了介绍,同时提出了高性能粉末推进剂研究、发动机低压点火、粉末输送分流与多点喷注、发动机系统控制、环境温度适应潜力等是粉末火箭发动机技术的发展方向。通过对粉末火箭发动机研究经验归纳整理,明确了粉末发动机自身工作特点与优势。     

喷注压降对Al/AP粉末火箭发动机工作特性影响研究

为研究喷注压降对Al/AP粉末火箭发动机工作特性影响,在考虑喷管两相流动损失的情况下,通过理论计算分析了压强、氧燃比对Al/AP粉末火箭发动机比冲、绝热燃烧温度及凝相产物质量分数的影响。以此为基础确定了Al/AP粉末火箭发动机工作参数,搭建了Al/AP粉末火箭发动机试验系统,通过改变流化气质量流率和粉末推进剂储箱出口通流面积的方法研究不同喷注压降下Al/AP粉末火箭发动机的工作特性。结果表明,流化气质量流率大小对Al/AP粉末火箭工作过程存在一定的影响,过小会导致粉末推进剂供给卡顿,过大会导致发动机性能降低。与此同时,Al/AP粉末火箭动机工作过程中存在由粉末推进剂输运时滞导致的燃烧室压力振荡,而通过提高粉末推进的喷注压降可以有效抑制这一振荡。当前技术状态下,由于在Al/AP粉末火箭动机燃烧室设计、粉末推进剂高效喷注和离散等方面存在不足,Al/AP粉末火箭动机的实际性能与理论性能还存在一定偏差,试验中最高燃烧效率为69.79%。     

基于离散元的粉末燃料输送弯管两相流特性研究

弯管是粉末燃料冲压发动机燃料输送系统的重要组成部分,为了研究弯管内气固两相流的流场结构、颗粒碰撞以及压力损失的变化规律,基于连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型,考虑颗粒的碰撞受力和弹塑性形变,对铝粉在弯管内的流动状况进行数值仿真。研究结果表明：CFD-DEM算法相对于传统的双流体模型和轨道法,能更为准确地描述颗粒流的碰撞信息和两相流的流动状况。弯管内的总压损失随流化气流量的增加,呈先减少再增加的趋势,在本文研究的条件下,优选的流化气流量为6g/s~7g/s(流化气速度为3.0m/s~3.5m/s);在低流速下,颗粒间的碰撞次数远大于颗粒-壁面间的碰撞,随着流速的增高,颗粒与外侧壁面间的碰撞次数迅速增高,并导致颗粒-壁面间的碰撞次数超过颗粒间的碰撞。弯管的弯径越大,弯管内的总压损失越大,但颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞次数均减少。     

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

铝基粉末燃料层流火焰传播速度实验研究

为研究铝基粉末燃料火焰传播特性,本文设计了气固两相本生灯型层流火焰实验装置,开展了铝基粉末燃料层流火焰传播速度的实验研究;获得了气流流速、颗粒相浓度等因素对空气中铝颗粒层流火焰传播的影响规律,并研究不同级配比例下的铝基粉末燃料的火焰传播性能。研究结果表明：在相同颗粒浓度条件下,提高气流速度会显著增加铝基粉末燃料层流火焰传播速度;在相同气流速度条件下,铝基粉末燃料层流火焰传播速度在铝颗粒浓度接近600 g/m³时达到最大值,而当铝颗粒浓度过低时,层流火焰无法稳定传播;此外试验结果还表明,利用中小粒径颗粒填充大颗粒间的孔隙,能显著提高铝基粉末燃料层流火焰传播性能。     

进气掺氢对爆轰波参数影响的试验研究

为研究氢气对气液两相脉冲爆轰发动机内爆轰参数的影响,对进气掺氢的脉冲爆轰发动机进行了试验研究,实现了发动机的稳定工作。研究发现,进气中掺混氢气对爆轰波参数有较大影响,氢气进气压力为0.1MPa时,掺氢后爆轰波的峰值压力和速度均明显提高,爆轰波速度由1045.9m/s升高至1846.2m/s,发动机尾部位置上爆轰峰值压力从1.9MPa上升至4.5MPa,爆轰波后平台压力提高了0.2~0.6MPa;当氢气进气压力由0.1MPa增加至0.22MPa时,爆轰波速度随之增大。进气掺氢后燃烧转爆轰位置提前,有利于减少燃烧转爆轰的距离,进气掺氢的脉冲爆轰发动机能在较少扰流片(5片扰流片)情况下起爆,但当扰流片少于5片时,发动机内未能正常起爆。     

推进剂总质量流量对连续旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究推进剂总质量流量对连续旋转爆轰发动机(CRDE)爆轰波传播特性以及推力性能的影响,在环缝-喷孔对撞式喷注H2/Air的CRDE上开展了一系列实验。基于测量的高频压力信号,详细分析了不同推进剂总质量流量工况下爆轰波传播的典型波形、速度与频率以及稳定性。测量了CRDE长时间工作产生的推力,并讨论燃料比冲的变化情况。实验结果表明,当量比不变时,随着总质量流量的增加,爆轰波依次表现传播方向转变、双波对撞向单波同向转变、单波同向、以及双波同向与单波同向共存四种传播模式,平均传播速度和频率呈现出先增大后减小的趋势;推进剂总质量流量偏高或偏低,爆轰波均表现为不稳定传播模态。发动机产生的平均推力随着总质量流量的增大而呈线性增大,燃料比冲则是先增大后减小,当推进剂总质量流量为593.60g/s,获得基于燃料的比冲最大为5159s。     

进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程影响

为了研究进气温度和当量比对脉冲爆轰发动机工作过程的影响,建立了带简单化学反应的气液两相爆轰欧拉-拉格朗日模型,使用二维时空守恒元与求解元(CE/SE)方法和变步长4阶龙格-库塔法分别求解气液两相爆轰方程.计算结果表明:提高进气温度,能加速液滴雾化、蒸发,缩短燃烧转爆轰距离和时间,但是会降低爆轰波的峰值压力;当量比小于1.1时,增加当量比,能缩短燃烧转爆轰距离和时间,提高爆轰波的峰值压力,加快爆轰波传播速度;当量比大于等于1.1时,增加当量比,能小幅提高爆轰波速传播度和缩短燃烧转爆轰距离和时间,但对爆轰波的峰值压力影响很小.      

脉冲爆震发动机无阀工作对供给系统影响研究

通过测量无阀脉冲爆震发动机非定常工作对供气供油系统影响的压力数据,对建立的燃油和空气管路数值仿真模型进行了验证,基于建立的模型研究了供给系统的流量特性.研究结果表明,供油供气系统受同一爆震管头部压力作用带来的影响是不同的,这进一步导致供给系统气动开启初始充填的非定常特性,对于给定的供给系统,这种非定常特性的持续时间是固定的,当发动机工作频率增大时,其占单个周期的比重越来越大,最终导致脉冲爆震发动机的不稳定工作.      

脉冲爆震发动机供油自适应规律研究

利用在油路系统的不同位置处设置动态压力传感器来测量PDE工作过程中的油管中瞬时油压曲线的方法,研究PDE工作中的供油自适应规律.研究结果表明,在供油自适应控制中,开始和停止供油取决于PDE内的燃气反压和供油压力的共同作用,燃气反压大于供油压力,停止供油;燃气反压小于供油压力,开始供油.在保持PDE内当量比不变的情况下,一个循环内的供油时间长短只与供油压力有关,与油管长度和工作频率无关,但油管长度越长,损失越大,导致泵后压力越高.      

爆震波多管点火特性实验

为了研究液体火箭发动机爆震波多管点火的同步性能、多次点火重复性能以及点火火炬性能,组建了氢氧爆震波多管点火实验系统。采用氢气和氧气为工质,常温供气压力0.10.5 M Pa（表压）,混合比1.87.2,进行了多次实验。实验结果表明:爆震波点火技术可以在与液体火箭发动机贮箱压力相适应的较低的供气压力下获得高温（>1300℃）高压（>1 M Pa）爆震产物,并且具备良好的点火重复性能和多管点火同步性能,多次点火重复性时间差和多管点火同步性时间差均小于0.3 m s。爆震波多管点火技术适合用于多燃烧室液体火箭发动机的同步点火。      

脉冲爆震发动机供油自适应控制优化设计

研究了带气动阀PDE的供油自适应控制优化设计，通过在油管中设置单向阀和通过油管自身(无单向阀)，成功实现PDE的供油自适应控制，在爆震管直径为180mm，长度为2m，管内流速为25m／s的PDE中，可以产生稳定的爆震波，并获得2MPa以上的压力和1500N以上的峰值推力。通过对不同油管长度、不同工作频率的压力、推力曲线对比研究，分析了供油自适应控制的机理，及供油相对进气滞后时间的长短对PDE工作的影响。     

氧化剂气量配比对Mg/CO2发动机性能影响实验

基于国内外粉末火箭发动机的研究基础以及工业上粉体燃烧器设计方法，提出了一种Mg/CO2粉末火箭发动机构型和氧化剂气体分3次进气的燃烧组织方案，并针对其工作过程开展了实验研究。主要研究了在氧燃比为4∶1条件下，氧化剂不同进气方案时发动机的燃烧效率和燃烧室内沉积情况，从而为后续的Mg/CO2发动机多次起动实验工况参数设定提供依据。发动机热试实验结果表明:当燃烧室头部氧燃比较大时，发动机稳焰失败，无法正常工作；发动机热试实验中燃烧效率最高为64.0%；当氧化剂进气方案满足流化气、旋流气与侧向气量配比为2∶0.5∶1.5时，燃烧室内基本无沉积。      

脉冲爆震发动机孔板型气动阀工作特性实验研究

采用流动显示和压力测量两种手段对应用于脉冲爆震发动机的三种不同阻塞比孔板型气动阀进行了试验研究。研究结果表明,在不存在燃烧的流场里,孔板型气动阀具有较强的阻隔压力波动的能力;然而对于采用自适应供油的脉冲爆震发动机,发动机点火后,由于压差,燃油液雾必然向上游流动,孔板型气动阀将处于可燃混合物中,较强的燃烧火焰穿越孔板时,孔板将担当起射流点火的作用,从而加速火焰的传播,最终破坏孔板阻隔压力回传的作用;增大孔板阻塞比可以减少燃油液雾的反流量,这有助于爆震室对进气系统的影响。     

空气辅助雾化对活塞式航空煤油发动机燃烧特性的影响研究

为了满足无人机燃料的安全性、单一化战略,并实现发动机高功重比指标,此文将航空煤油应用在点燃式活塞发动机上,使用自主开发的空气辅助喷雾系统,在节气门全开条件下进行了不同过量空气系数、喷气压力、喷气脉宽、喷射时刻对于活塞式航空煤油发动机燃烧特性的影响研究,并将空气辅助雾化系统和120MPa高压共轨系统进行对比试验。结果表明,0.95为活塞式航空煤油发动机的最佳过量空气系数;提高喷气压力和喷气脉宽均会提高发动机的动力性和经济性,提高燃烧稳定性,并且提高喷气压力可以明显缩短燃烧持续期;360 ?CA BTDC喷气时刻时航空煤油的雾化效果最好;喷射参数优化后的空气辅助雾化系统对于航空煤油的雾化效果接近高压共轨系统水平。     

六管气动阀PDE协调工作研究

为了得到六管气动阀脉冲爆震发动机(PDE)的协调工作,在共用进气道条件下,主要采用离子探针技术进行了试验研究,同时对爆震波激波后燃烧波的传播速度进行了定量测量,并用压力传感器进行了试验验证.研究结果表明:在单管频率f＝30Hz(总频率f＝90Hz)时,六管PDE能够协调、稳定的工作;采用局部蒸发器改善燃油蒸发后,爆震管...     

进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性的影响

基于平行压气机原理,建立了进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性影响的理论模型和计算分析方法,评估了总压畸变和总温畸变对某型大涵道比涡扇发动机稳定性的影响,获取了发动机的临界畸变指数和首发失稳级组.结果表明：总压畸变在风扇中衰减幅度最大,发动机在高转速下运行达到临界总压畸变值时,风扇率先失稳,在低转速下运行时为增压级率先失稳;总温畸变在高压压气机中衰减幅度最大,发动机在高转速运行达到临界总温畸变值时,高压压气机率先失稳,在低转速运行时为增压级率先失稳.