粉末燃料冲压发动机理论性能分析

研究粉末燃料冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算软件,分别对以硼粉、铝粉、镁粉为燃料的发动机性能进行了计算,分析了不同参数对发动机比冲的影响趋势,为进一步研究及发动机设计奠定了基础。通过与常规液体燃料冲压发动机及固体火箭冲压发动机进行比较,说明了粉末燃料冲压发动机在比冲及体积比冲方面的优势。鉴于金属粉末燃烧产物中凝相物质含量高的特点,研究了两相流损失对发动机性能的影响。     

考虑气体-颗粒两相流效应的火箭发动机喷管参数优化设计

火箭发动机喷管内型面设计是喷管设计中的重要研究课题,是提高喷管效率的关键.采用基于遗传算法的直接优化设计方法对决定喷管内型面的关键参数进行优化,以减少喷管的比冲损失,提高发动机性能.比冲损失的大小通过喷管两相流计算获得,设计了相应的软件自动完成常见喷管的喷管型面优化设计,对现有型号喷管进行优化的计算结果表明,喷管的相对比冲损失可以显著减小.     

H2O2/HTPB固液火箭发动机燃料配方正交优化设计

采用随机轨道法计算了H₂O₂/HTPB固液火箭发动机的喷管两相流,并采用试验结果验证了数值计算的准确性.研究了不同凝相质量分数和粒子平均直径对喷管性能的影响,结果表明:随着凝相质量分数和粒子平均直径的增加,喷管效率逐渐降低.对固体燃料中的Al,Mg,AP和B等组分的质量分数进行了正交试验设计,研究分析了不同燃料组分对喷管两相流和发动机性能的影响,并对固体燃料配方进行了正交优化设计.结果表明:凝相组分质量分数随Al,Mg的质量分数增大而增加,AP和B的质量分数对凝相质量分数影响较小;添加Al,Mg,AP和B等物质对发动机的最佳理论比冲影响不大,但可以有效提高最佳理论密度比冲;添加Al和Mg等金属颗粒会增加喷管损失,降低实际比冲和实际密度比冲,添加AP和B对比冲效率影响不大.      

火箭冲压发动机喷管的两相流动理论比冲——一种简单估算方法

本文导出了类似于火箭发动机的火箭冲压发动机喷管的两相流动理论比冲公式;从理论上证明:对这两类发动机的两相喷管流动特性可以通过一个共同的组合参数——当量排气速度来进行分析;介绍了一种变滞后两相流动比冲损失的简单估算方法;提出了一种处理奇点问题的近似解法。     

倒置喷管发动机性能测定方法的比较与分析

采用三种试验方案对喷管倒置１５０°引起的比冲损失进行了测定、分析和比较。结果表明，双室串并发动机顺倒置四喷管引起的比冲相对损失为１．８％左右；如果将顺置采用单喷管，那么该项损失大约为４．１％。采用双室串并发动机时，测试系统和判读系统误差不能进入测试数据中，所以它比单独采用顺置和倒置时测定的数据可靠。     

半开式富氧补燃混合循环发动机方案研究

针对未来航天主发动机的应用需求,提出了一种燃料供应系统采用开式循环、氧化剂供应系统采用分级燃烧闭式循环的半开式富氧补燃混合循环发动机系统方案,综合分析了这种新型混合循环发动机所能达到的比冲性能,对比分析了新型混合循环发动机作为可重复使用航天运载器主发动机相比于开式循环和常规补燃循环、全流量补燃循环发动机的优缺点,针对推力为100t级的液氧煤油混合发动机的系统进行计算和分析。结果表明,新型混合循环发动机在主燃烧室压力26.5MPa下,海平面比冲可以达到303s,可以以较小的比冲性能损失为代价,实现涡轮泵介质相容、有效提高发动机设计裕度。     

障碍物对脉冲爆震发动机性能影响的数值模拟

运用计算流体力学方法计算了理想脉冲爆震发动机（PDE）单次爆震的性能参数,并和Wintenberger半分析模型进行了对比,研究了圆环形障碍物阻塞比和节距内径比对空气流动损失和脉冲爆震发动机单次爆震性能的影响,并与连续的多脉冲爆震实验的相关结果做了比较。研究结果表明,数值模拟计算得到的冲量和Wintenberger半分析模型得到的冲量非常接近,佐证了数值模拟方法和结果的正确性;障碍物阻塞比增大、节距内径比减小或进口速度增大,空气流过障碍物时的总压恢复系数减小,流动损失增大;障碍物阻塞比增大,单次爆震的体积比冲减小,单位燃油消耗率增大,性能降低;当阻塞比为41％时,体积比冲为理想爆震管体积比冲的92％,损失了8％;障碍物节距内径比增大,单次爆震的体积比冲先减小后增大,而单位燃油消耗率先增大后减小,不同节距内径比的体积比冲为理想爆震管体积比冲的94％左右,不同节距内径比对性能影响规律与多次脉冲爆震实验结果趋势符合。     

双模态冲压发动机Ma6性能潜力受燃烧室入口参数影响的灵敏度分析

为系统掌握燃烧室入口参数对双模态冲压发动机性能潜力的影响,采用双模态冲压发动机燃烧室工作过程的一维分析方法,在飞行马赫数为6的不同燃烧室工作工况(即不同特征马赫数Mac)条件下,保持进气道捕获流量不变,研究了燃烧室入口马赫数Main和总压恢复系数σin对性能潜力(燃料比冲Isp,f)的影响。获得的数据表明,冲压发动机的性能潜力受燃烧室入口马赫数和总压恢复系数两者的综合影响,燃烧室入口马赫数越低、总压恢复系数越高,发动机性能潜力越大;在常见的燃烧室入口参数范围内(入口马赫数∈[2.4 3.5],入口总压恢复系数∈[0.3 0.7]),入口马赫数每减小0.1,燃料比冲增加约1.1%~1.8%,入口总压恢复系数越小,影响程度越大;入口总压恢复系数每增大0.1,燃料比冲增大约2.4%~4.0%,入口马赫数越大影响程度越大;存在燃烧室入口条件不同,但是发动机的比冲性能潜力相同的情况。对燃烧室分段过程的损失分析表明,在入口为超声速、加热段为亚声速(特征马赫数不大于1)工况条件下,入口马赫数增加导致燃烧区前激波串损失增大,是比冲性能降低的主要原因;燃烧室特征马赫数越大,燃烧过程导致的损失越大;从燃烧室入口到尾喷管出口全过程总压损失越小,获得的比冲性能越大。推导和拟合了冲压发动机冲量差燃料比冲随燃烧室入口马赫数和总压恢复系数的灵敏度关系式,与被拟合数据的差异在3%以内,该关系式可用于双模态冲压发动机部件参数匹配与流道一体化设计工作。     

基于混合优化算法的固液发动机装药优化设计

为了减小固液发动机工作过程中氧燃比的变化导致的比冲等性能损失,提出基于差分进化和克隆选择的混合优化算法,建立装药优化问题的优化模型和优化流程,采用惩罚函数处理约束条件,对某型固液发动机进行了装药优化和分析.结果表明该优化算法和流程性能良好,优化后发动机的性能得到了明显提高,减小了余药质量分数和工作压强,改善了燃烧室和喷管的工作环境,且平均比冲提高了1.2%.      

变比冲发动机作用下共面燃料最优轨道转移

以国外目前正在研制中的变比冲磁等离子体火箭发动机(VASIMR)为背景,研究了变比冲发动机作用下的同平面燃料最优轨道转移。推力方向角和比冲为控制变量,发动机总功率为常值,发动机可多次开关机。采用经典最优控制理论,运用庞德里亚金最小值原理将问题转化为两点边值问题,并通过非线性规划算法求解,得到了受精确开关函数控制的最优比冲时间历程。给出的VASIMR发动机应用算例结果表明,采用VA-SIMR发动机有益于提高航天器有效载荷所占比例。     

固体发动机真空比冲分析

本文预示了SRM-1、SRM-2和SRM-3固体发动机的真空比冲效率(或无因次比冲),并对前两种高模试车失败的发动机进行了分析,所得实测真空比冲效率与预示值基本一致,相对偏差均未超过0.3%.同时,通过真空比冲数学模型及模拟参数分析,得出了缩比试验发动机不能模拟的三个主要参数(L~*,d_t,t_b)及实施模拟的办法.在此基础上提出了大型发动机带缩比试验发动机进行高模试车的建议.     

固体火箭发动机比冲预示经验法

本文简要地评述了国内外固体火箭发动机比冲预示方法.在Landsbaum法的基础上,根据国内外44种不同类型的发动机地面和高空模拟热试车试验统计,利用多维回归分析方法,得出了适合于国内发动机的经验比冲效率参数相关法.这种方法的优点是比冲预示结果比较准确,方法简单,利用袖珍式计算器可快速计算,对固体发动机总体方案论证及性能最优化设计是很有用的.     

预冷空气涡轮火箭发动机氦循环系统的参数特性

针对预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)方案,建立氦循环系统数学模型,模型考虑组件结构特征、几何尺寸、工质物性等主要因素。数值计算表明:PATR的推力和比冲性能较优,模型可描述发动机氦循环热力过程,其中发动机余气系数是影响发动机推力、比冲的关键参数。提高氦循环系统最高设计压力和降低空气预冷器氦进口温度可有效降低压力损失和氦压气机功率,最高压力每增大1MPa,系统平均压力损失下降1.1%,氦压气机输入功率下降3.2%;空气预冷器氦进口温度每升高1K,系统平均压力损失上升0.086%,氦压气机输入功率升高2.3%。     

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

液体火箭发动机辐射冷却推力室的传热计算

本文介绍一种液体火箭发动机辐射冷却推力室设计计算方法.内容有:物理过程的分析、燃气与室壁之间对流热流和辐射热流的计算、室壁中温度场的计算、因辐射冷却引起的比冲损失的计算等.并通过一个计算实例来说明方法及所得结果的可信性.     

加液氢固体火箭发动机性能分析

通过热力计算,分析了固体火箭发动机中加入液氢后对发动机性能的影响.结果表明,加入液氢可以减少燃气成分的分子量,提高发动机的比冲.在所讨论的算例中,比冲最大提高量达4.2%.     

液氢冲压发动机的计算与分析

本文对使用液氢燃料冲压发动机在大马赫数范围内的工作特性进行了比较详细的计算与分析。结果表明使用氢燃料直到马赫数达6.5,亚燃冲压仍具有相当好的比冲特性,而使用碳氢燃料在马赫数达4.5以后比冲特性迅速下降。文章还从加热比和单位空气比冲出发讨论了发动机的调节特性,并建议采用较简单的有级调节来代替复杂的无级连续调节方法。本文还对等截面超燃冲压发动机的特性进行了计算,结果表明等截面极限加热并非最佳设计。     

提高固体火箭发动机性能的技术途径

用固体发动机比冲的理论计算方法计算了发动机比冲与平均工作压强的关系，由发动机质量比的表达式，推出质量比与发动机最大工作压强和平均工作压强比以及药柱装填分数的关系。计算和试验结果表明：发动机比冲随着平均工作压强增加而增加；发动机质量比随着药柱体积装填分数增加以及量大压强和平均压强比的减小而增加。结论：提高平均压强和药柱装填分数以及降低最大压强与平均压强比是提高发动机性能的技术途径。     

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.