采用多级主火箭的RBCC发动机性能分析

采用三维两相数值模拟技术研究火箭基组合推进(RBCC)发动机的燃烧。提出了一种新的主火箭布置方式,该方式采用多级主火箭,一级嵌入到支板之中,另一级置于燃烧室中部上壁面。研究表明,相对于常规的主火箭布局,多级主火箭布局能明显提升发动机性能。置于支板的一级火箭以恰当比工作,起到引射和改善进气道工作特性的作用;二级火箭以富燃状态工作,起到火焰稳定和促进燃烧的作用。多级火箭喷射方案是DAB和SMC模式的综合,可作为火箭引射模态改善二次燃烧一种新的方式。     

基于分层燃烧的RBCC发动机热力循环浅析

针对分层燃烧循环RBCC发动机,建立了热力学理论模型,引入压缩效率、加热比和增压比,对RBCC发动机的热力循环过程进行分析,推导了发动机热效率计算公式,探讨了热效率随不同参数的变化及其与各参数之间的关系。分析表明,压缩效率、加热比及喷管压比越高,热效率越大;存在最优增压比,可使热效率达到最高值。     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

基于DMSJ发动机流道的RBCC发动机设计

首先完成了一种典型DMSJ发动机流道型面和燃烧组织设计,该发动机在M_∞=4.0和6.0时的比冲分别为1 029.6 s和899.9 s。以此DMSJ发动机流道为基础,在隔离段一侧布置火箭发动机,形成RBCC发动机流道。数值模拟研究表明,低马赫数时,火箭台阶及下游流道型面变化对发动机性能影响有限;保持DMSJ发动机燃料喷注方案不变,RBCC发动机在M_∞=4.0时,冲压模态比冲可达到1 052.8 s。高马赫数时,由于燃烧组织位置靠前,必须对DMSJ发动机原有的燃料喷注方案进行调整,才能确保RBCC发动机达到与前者相当的比冲水平,经过调整本文RBCC发动机M_∞=6.0时冲压比冲达到了887.8 s。因此,基于目前较成熟的DMSJ发动机进行高马赫数RBCC发动机设计,是一条快速可行的技术途径。     

RBCC发动机纯火箭模态流场数值仿真研究

基于某火箭基组合循环(RBCC)发动机结构及气动参数开展了飞行高度30 km、飞行速度8 Ma时,发动机纯火箭模态三维流场数值仿真.对进气道、燃烧室、尾喷管、火箭发动机等组件流场结果进行分析,并计算了发动机总体推力.结果表明:纯火箭模态下,RBCC发动机进气道存在气流分离,喉部总压恢复系数约为0.34;燃烧室存在两股气流掺混,二级进出口总压损失约38.5％;二级燃烧室流场结构复杂,使得尾喷管入口截面气流参数分布不均,其总压畸变值为0.648;纯火箭模态下该RBCC发动机轴向推力约1 700 N.     

超燃冲压发动机隔离段内附面层/激波串相互干扰研究

隔离段内激波串的产生和发展以及激波/附面层相互干扰现象是极为复杂的,有效地进行激波串的组织是研究隔离段的关键所在,而其性能的好坏直接影响着超燃冲压发动机的性能。采用数值模拟的方法对不同来流附面层厚度工况的二维轴对称隔离段内流场流动特性进行了数值计算,分析了附面层/激波相互作用机理和附面层对隔离段激波串及隔离段性能的影响。结构表明:压缩-膨胀-再压缩-再膨胀……的气流流动挤压过程导致激波串的形成,逆压梯度的存在构成了附面层分离;附面层厚度的增加影响着激波串起始位置和结构;随着附面层厚度的增加,出口总压恢复系数和质量平均马赫数降低,且随着反压增大,变化趋势趋于明显。     

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。     

SMC模式下RBCC发动机4Ma工况性能仿真

为研究SMC模式下火箭混合比对RBCC发动机性能的影响规律,完成了氢/氧火箭推力室中心布局、二元定几何结构模型发动机飞行马赫数Ma0=4、高度H=17 km弹道点流场仿真,获得了不同火箭混合比(MR=2、3、4、5、6、8)及燃烧室长度的推力、比冲性能.研究表明:在火箭燃气富燃条件下(MR<8),产生了正的火箭推力增益...     

超燃冲压发动机S弯隔离段激波串数值研究

S弯隔离段可以解决进气道出口和燃烧室入口处在不同水平高度的飞行器在结构设计上的困难.为考察来流马赫数为2.0时S弯构型对隔离段流场结构和性能参数的影响,在不同边界条件下对3种不同转弯方式的S弯隔离段和等直隔离段进行数值模拟.结果表明,在流场结构方面,S弯隔离段入口拐角处出现斜激波/膨胀波的相交与反射,上、下壁面分离区交替扩大、缩小.在抗反压性能方面,中心对称型和后部转弯较急型隔离段性能稍逊于等直隔离段,前部转弯较急型隔离段性能与等直隔离段相当.在总压恢复性能方面,高反压时前部转弯较急型隔离段性能最好,但在低反压时流场存在剧烈振荡,总压恢复性能最差.因此工作在高反压条件下的隔离段推荐采用前部转弯较急型,而低反压条件下则采用另外两种比较合适.入口边界层厚度对S弯隔离段流场结构和性能的影响有限.     

轴对称结构RBCC发动机超燃模态性能分析

为了改善RBCC发动机超燃模态的性能,设计了轴对称结构燃烧室结合小支板组进行燃料喷注的发动机构型.通过煤油的3步简化动力学模型,对不同燃料喷注方式下的发动机性能进行计算分析.结果表明,基于本设计的发动机,让支板火箭工作于小流量富燃状态,可实现超燃模态的可靠点火和稳定燃烧;采用一级支板结合二级壁喷的燃料喷注方式,可获得相...     

RBCC混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧性能影响研究

通过数值模拟发现,喷注位置前移有利于改善燃烧性能。为了更加细化探讨,在直连式实验台上进行了进一步的实验研究,研究了RBCC混合燃烧模式中燃料喷注位置对燃烧性能的影响。实验中,详细比较了相同实验条件、不同喷注位置条件下燃烧室压强及燃烧性能。实验发现,在燃烧室前端进行燃料喷注,有利于提高燃烧室压强,提高发动机比冲。可见,燃料提前喷注加强了燃料与火箭羽焰剪切层的掺混,且火箭羽焰对燃料的雾化蒸发效果更佳,使得燃料的燃烧性能得到更大提升,从而提高发动机性能。     

RBCC发动机性能分析方法研究

通过进行前体的边界层效应修正、采用有限化学反应速率模型和中心差分形式的Mac Cormack格式,求解燃烧室性能分析模型方程,以及采用灵活的发动机性能计算方法等,建立了较为完善的RBCC发动机性能分析模型及软件,并进行了软件应用研究。分别采用二维CFD计算和试验结果对该模型进行了校验,其相对误差小于10%。结果表明,该软件适用于RBCC发动机性能分析。     

RBCC直扩燃烧室煤油喷雾燃烧火焰稳定与放热规律的数值模拟

扩张构型燃烧室的燃烧流动细节与放热规律是RBCC发动机设计中的核心技 术。采用湍流流动的分离涡（DES）计算方法,数值计算了RBCC燃烧室以凹腔作为火焰 稳定器的液态煤油喷雾燃烧三维两相流动。针对逐级扩张的RBCC燃烧室构型,详细研究了不 同来流状态下的喷雾燃烧流动特征以及液态煤油分级喷注的放热规律。研究表明,高来流总 温条件下,凹腔火焰稳定器可起到驻留火焰的作用,在相对较低来流总温条件下,凹腔并非 是实现火焰稳定的充分条件,必须采用其他方式补偿液态燃料蒸发吸热所损失的热量。考虑 到扩张构型的几何通道承受的压力提升范围有限,燃料喷注位置不宜安置在燃烧室上游流场 ;为了实现最大的燃烧效率以及发动机推力,采用前后级辅助喷注的方式是目前可行的解决 措施。     

液体远地点发动机推力室工作过程数值仿真

研究了远地点发动机(N2O4／MMH)的推力室工作过程,考虑了自燃推进剂的雾化、蒸发以及化学反应流动过程,采用交错网格系统的SIMPLE算法,得到了不同边区冷却流量对推力室的内流场和燃烧效率的影响结果,数值计算的结果与理论分析相符合,为推力室工作过程的稳定性分析提供了重要参考。     

隔离段尺度效应初探

随着超燃冲压发动机规模不断扩大,隔离段尺度效应非常突出,利用准一维隔离段分析模型,对3种截面积的矩形截面和圆形截面隔离段的尺度效应进行计算分析。初步结果表明:隔离段入口边界层发展情况是影响压力分布及隔离段长度的重要因素;在给定的压升条件下,相同尺度的圆形截面隔离段比矩形截面隔离段长;隔离段长度不与入口水力直径呈线性关系,即隔离段长度不能几何缩比;隔离段尺度越大,尺度影响越显著。     

一种姿态控制发动机扩散段流场的数值模拟

采用CFD方法对一类火箭弹姿态控制发动机扩散段流场进行了数值模拟，并对几种典型流场进行了分析。计算中的控制方程使用雷诺平均Navier-Stokes方程，湍流模式选用Realizable k-g端流模式，近壁区用二层分区模型处理。通过与试验结果的比较，证明了在较大的主气源压力范围内计算结果合理，其推力计算的精度可满足火箭弹姿控发动机工程计算的要求。     

RBCC发动机主被动复合热防护方案研究

随着对RBCC发动机研究的不断深入,热防护问题已经成为其走向工程应用的关键之一,本文针对RBCC发动机开展了热防护方案的研究。首先,采用数值模拟对RBCC发动机各模态下的热环境进行了分析;然后,进行了RBCC热防护方案的论证,认为目前材料和技术水平下全主动和全被动方案很难满足RBCC热防护的要求;在此基础上,提出了一种主被动相结合的复合热防护方案,并完成了复合热防护方案的设计。该方案内壁整体采用C/Si C陶瓷基复合材料,在受热比较严重的部位加装再生冷却模块,较好地解决了RBCC发动机冷却剂流量不够的问题。通过对方案的校核计算表明,该方案可满足长时间工作RBCC的热防护需要。     

RBCC发动机热力/推进效率计算及影响因素研究

给出了RBCC发动机推进效率、热效率及总效率等热力/推进效率计算方程,开展了特定条件下油气比、流量比及速度比等因素对发动机效率影响规律研究.结果表明, 当燃油和火箭发动机推进剂种类、质量流量及飞行速度一定时,产生推力的RBCC发动机排气速度变化范围有限,且该范围可通过计算进行明确;在其他变量为定值的条件下,推进效率分别随油气比、流量比及速度比的增大呈单调增加的趋势;随着速度比减小,热效率、总效率增大.     

轴对称结构RBCC发动机超燃模态试验和数值模拟

为研究轴对称结构RBCC发动机超燃模态下的点火和燃烧性能,进行了地面直连试验。采用中心支板火箭与小支板组喷注相结合的方式作为点火和火焰稳定方式,并对燃料喷注方案进行了研究。试验与数值模拟结果表明,采用这种点火方式能实现轴对称结构RBCC发动机的可靠点火和稳定燃烧。二次燃料采取多级喷注的方式能充分利用流道中的氧气,实现较充分的燃烧,但应控制燃料喷注比例。双支板组的加入,能促进燃料与中心空气流的充分掺混,提升燃烧效率,获得较优的燃烧性能。     

固体燃料冲压发动机研究进展

通过分析固体燃料冲压发动机内部燃烧和流动过程，建立了固体燃料冲压发动机内弹道计算模型。在数值模拟基础上，分析了发动机内流场结构和燃速特性。理论计算表明发动机内流场呈现很强的二维特征，附着点位置与入口台阶高度和燃烧性能有关。为验证计算结果，设计并建成了固体燃料冲压发动机实验系统。