固体推进剂火箭发动机喷管形状最佳化

喷管形状结构对固体推进剂火箭发动机效率和性能会产生影响,这篇文章对这种影响提供了理论分析判断方法。这个理论方法利用比冲(Isp)确定发生在发动机中的流动和热损失。在分析中考虑了由于扩散、摩擦、热、粒子滞后,烧蚀和化学不平衡引起的损失。本文用抛物线、园弧和特征流线方法(MOC)构成喷管形状,对发动机性能进行比较。这些形状的差别是用最佳初始膨胀角和最佳折回角(初始角与出口角之差)来表示,在喷管形状参数(长度和直径)同定的情况下,研究了典型的低空和高空的发动机。这些计算的结果对喷管形状设计给出了有益的理解。研究指出: 第一:最佳初始膨胀角和最佳折回角随型面类型而变化。第二:对于抛物线型、园弧型和特征流线型的喷管,固定形状参数可以得到的最大比冲基本上是相同的。第三:如果喷管不是最佳形状,就出现明显的性能损失。第四:这个理论比冲预测方法能有效地运用到固体推进剂火箭发动机喷管形状设计中去。     

喷管扩散段型面对固体发动机性能的影响

通过计算喷管二维两相流和边界层比冲损失,研究了喷管扩散段型面对其性能的影响。研究结果表明：在喷管扩散段长度一定的情况下,膨胀比有一最佳值,超过该值,喷管性能反而下降;在膨胀比一定的情况下,在一定长度范围内喷管越长,其性能越高。从而得出,为使综合性能达到最佳,在一定膨胀比下喷管扩散段长度应取喷管出口直径的1～1．25倍。该结论可供设计人员参考。     

固体火箭发动机喷管扩张段型面参数对其性能影响仿真分析

固体火箭发动机喷管扩张段型面直接影响喷管内燃气膨胀和壁面压力分布,优化扩张段型面参数是提高喷管效率的有效途径。采用欧拉-拉格朗日数值方法仿真分析了椭圆-三次曲线型喷管在扩张段不同出口半角、初始扩张半角、长径比和扩张比等型面参数下的两相湍流特性及推力性能,数值模拟与基准型面喷管试验结果对比良好。不同型面参数喷管计算结果对比显示,出口半角对喷管推力影响较小,而初始扩张半角对其影响相对明显。流场特性分析表明,扩张段不发生内激波相交时,因避免燃气二次压缩而有利于提升喷管推力。与基准型面喷管相比,适当增大初始扩张半角和减小出口半角,能够改善扩张段内激波结构,提高喷管性能。此外,固定扩张比,长径比小于1.2时,随长径比增大,喷管出口轴向速度积分增长较快,推力收益增速明显。固定长径比,扩张比增大能提高喷管推力系数,但两相流损失随之增加,导致喷管效率降低,综合来讲喷管推力呈上升趋势。     

固体火箭发动机喷管扩张段粒子冲刷流场分析

某翼柱形药柱固体火箭发动机喷管扩张段出口部位在试验后出现了与药柱翼槽位置相对应的冲刷痕迹,为了研究Al2O3粒子对喷管扩张段的冲刷规律,对喷管型面改进提供依据,对比了不同湍流模型、颗粒轨道模型对形成冲刷痕迹的影响,分析了发动机喷管扩张段两相流场特征,确定了形成冲刷痕迹的粒径范围,判断了冲刷痕迹的形成时间,提出了喷管型面改进方案。结果表明,喷管扩张段的冲刷痕迹形成于发动机工作的15 s时刻之前,主要由药柱后翼燃烧产物中颗粒粒径分布为10~16μm区间的粒子造成,改进后的喷管型面可有效降低粒子对喷管扩张段的冲刷。     

欧洲动力公司的扩散段可延伸喷管将会增加导弹的射程

欧洲动力公司正在研制一种用于固体推进剂发动机的扩散段可延伸喷管,它的首次试验于1978年末进行。如果这种可延伸喷管能够制成功则完全有可能被采用。有效的火箭发动枧由于延长喷管所引起的喷气膨胀比增大(当发动机点火时,采用张开的办法)能够改进发动机的比冲,因而,也增加了高空推力。两个长度相同的发动机一个喷管的扩散段是可延伸的,另一个是固定的,这两个发动机相比前者有可能具有更多的空间,可增大装药量,增加有效载荷或增大导弹射程。对于同样重量发动机,也可以取消级之间的大部分裙部。因此,减轻了大量的重量,同     

粒子侵蚀潜入喷管端头的质量损失率计算

粒子侵蚀对潜入式喷管端头的影响非常明显,已引起了喷管设计人员的关注。本文介绍了粒子侵蚀喷管的烧蚀计算。分析与计算结果表明,对喷管潜入段端头区主要是粒子侵蚀(即机械剥蚀)造成的质量损失,热化学烧蚀仅占总损失量的25%左右。喉道区及扩散段,则为热化学烧蚀。计算结果表明:粒子侵蚀引起的质量损失与粒子速度、粒子半径、粒子冲角有关。粒子半径越大,造成的质量损失越大,粒子冲角越大,造成的质量损失也越大,而冲角的影响作用更明显。对有粒子侵蚀时典型喷管的烧蚀计算结果与试验测量结果比较表明,用本文提供的方法所得到的理论计算值与试验测量值符合较好,能满足工程设计的需要。     

翼柱型药柱对发动机内流场及喷管收敛段烧蚀影响分析

对具有翼柱型药柱结构的某固体火箭发动机内流场进行了三维两相流数值模拟,分析了发动机的内流场特征以及发动机工作过程中药型变化对内流场的影响,同时就翼柱型药柱结构对喷管收敛段绝热层烧蚀影响进行了分析。结果表明,发动机内流场呈现明显的周期对称特征,收敛段对应药柱翼槽部位的燃气速度及Al2O3粒子浓度明显高于周边位置;两相流中燃气速度及Al2O3粒子浓度的周期分布,导致喷管收敛段烧蚀也呈现周期分布的规律,对应于药柱翼槽部位收敛段绝热层烧蚀量明显大于非药柱翼槽对应部位的烧蚀量。     

火箭喷管的二维两相流

本文介绍了编制一组解轴对称喷管气体/粒子流动方程组的计算机程序的进展情况。已经编写了两个程序,是用来解喷管喉部跨声速区的方程组的。第一个程序把两相流体看成是一种具有修正等熵指数和修正分子量的重理想气体,并解跨声速等熵流动方程组,得到的初始流场形状作为第二个程序的输入。第二个程序包含有气体/粒子混合物非平衡效应。这两个程序为进行超声速计算提供准确的初始线数据,这些数据将用作第三个程序的输入。第三个程序是解喷管超声速区两相流动方程组的,不久即将写成。     

基于RBF代理优化的固体火箭发动机喷管型面设计

针对固定扩张比与扩张段长度的二维轴对称固体火箭发动机喷管进行扩张段型面优化,优化目标为喷管推力最大化,优化参数为贝塞尔曲线控制点的径向位置,优化方法采用径向基函数(Radial Basis Function, RBF)代理优化算法。采用纯气相与两相流两种模型分别进行优化设计,纯气相的结果表明,对于10个控制点表达的贝塞尔曲线,优化后的推力提高了1.64%。以此优化型面为初始型面,增加控制点个数至16个,二次优化后的推力又提高了0.095%。增大优化参数范围,同时引入判断拐点的约束,对于10个控制点表达的贝塞尔曲线进行单轮优化,结果同上述经过两轮优化之后的结果相近,优化后的喷管推力提高了1.78%,说明算法具有较强的稳定性。通过对不同控制参数个数的贝塞尔曲线优化过程的对比,给出了合理选择控制点个数的方法与建议。两相流的优化结果表明,由于颗粒的滞后影响造成了两相流损失,两相流喷管的推力小于纯气相喷管,但两相流喷管优化后的推力较优化前初始型面的推力提高了1.87%,略高于纯气相喷管。RBF代理优化算法适用于由任意数量控制点组成的贝塞尔曲线表达的喷管扩张段型面优化,并有较高的效率与较强的稳定性...     

一维两相喷管流动

本文详细地论述了一维两相喷管流动控制方程的数值解方法,给出了数值计算举例。在确定边界条件时考虑了燃烧室工作过程,在算例中计算了不同的喷管型面,从而也讨论了喷管两相流动对发动机内弹道性能以及喷管型面对两相流损失的影响。     

大型固体发动机喷管的详细热分析

用二维轴对称有限元热模型对IUS固体发动机喷管进行了全范围的热模拟。该模型考虑了瞬时加热,内部热分解,挥发性和活性分解产物的放出,辐射边界的相互作用,二维两相流中的粒子辐射,以及空腔的瞬间充气。分析时考虑两种情况:(1)假定所有接合密封面部完好地发挥作用,但热解挥发物和一些固体扩散的气体仍会引起结构局部加热,(2)考虑某些密封面泄漏,引起喷管结构内局部加热的最坏情况。对发动机点火试验进行了广泛的仪器测试。得出实测热电偶响应,它可与包括在两种假设情况内的子结构气流加热模型預示范围相比较。这种温度响应大于不考虑气流加热时所算出的结果。     

火箭发动机喷管中气流分离预估的现状

在过膨胀火箭发动机喷管中,当壁面气流压力与环境压力之比达到一定值时气体会从喷管壁分离。这种气流分离及其理论预估是过去十年中试验和理论研究的课题,而且为预估气流分离而建立的各种模型和所做的各种假设已经得到很大发展,既有理论模型,也有纯经验模型。本文借助于在 DLR(德国航空航天研究院)所建立的数据库,对不同模型进行了论述,几乎包括了所有公开发表的气流分离数据。本文对一种新的、更加准确的分离准则提出了看法。试验时,在喷管中观察到两种不同的气流分离现象,即自由激波分离和受限激波分离。对这两种现象都进行了详细讨论,并描述了压缩波和膨胀波。对于自由激波,排气羽流中可以产生三种不同的激波结构:有规则的反射激波、马赫盘及帽状激波。这些激波除了存在于过膨胀喷营外,在满流喷管中也存在。对现有火箭发动机喷管,如 SSME 或火神号发动机喷管,所得到的数值结果与试验照片在定性方面是一致的。对不同类型的激波现泉进行了讨论。另外,对至今还未深入了解的受限激波分离现象也给出了解释,分析了它产生的原因和条件。结果是喷管型面的形状极大地影响着气流分离的形式。根据气流分离得到的这些结果,提出了对侧向载荷产生原因的看法。     

固体火箭发动机喷管集成设计分析技术研究

固体火箭发动机喷管不仅结构形式多样,而且工作条件恶劣,长期以来难以找到一种通用的设计计算和分析的一体化方法。文中在大量研究喷管的结构形式、流动模型及传热模型基础上,利用先进的计算机辅助设计技术、有限元技术和两相流分析技术,研制出了喷管一体化设计、分析和计算软件。它可为喷管的热结构分析和发动机工作过程数值模拟提供参考。     

大型固体发动机潜入式喷管背壁区域熔渣沉积数值模拟

考虑凝相颗粒间的相互作用以及颗粒和发动机壁面之间的碰撞,建立了固体发动机潜入式喷管背壁区域熔渣沉积数值计算模型,并针对某大型固体发动机内熔渣形成过程开展了数值计算。结果表明,该计算模型具有较高的计算精度,计算结果可信;熔渣的沉积主要是由颗粒之间相互作用而形成的大尺寸颗粒与喷管潜入段内壁面碰撞并发生黏附而形成的;喷管潜入段入口处药柱燃面的形状对潜入段内熔渣的沉积过程具有一定影响。     

固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构优化设计

针对某型号发动机喷管扩张段壳体结构,建立了高精度三维扩张段热结构FEM模型,计算了喷管工作时扩张段壳体结构在承受高温、高压以及作动器外载的联合作用下,结构的应变及位移分布规律,并与全尺寸发动机喷管热联试的试验结果作对比。结果表明:热结构仿真计算与试验结果吻合较好,其中关键承载部位应变最大误差小于15%,验证了热结构仿真模型准确性及精度,可以用于工程上扩张段壳体热结构强度校核。在此基础上,以环/母向筋条数量为设计变量,采用First-order优化方法对喷管扩张段壳体结构进行减重优化设计,在满足强度和刚度要求的前提下实现了目标结构约30. 8%的有效减重。以上计算结果对于固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构设计优化,准确预估结构安全裕度有着一定的参考价值。     

双燃速星孔药柱长尾喷管发动机三维两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日两相方法模拟了带长尾喷管的固体火箭发动机三维两相内流场。在同位网格基础上用有限体积法离散N-S方程,采用不完全LU分解预处理B iCGStab算法求解线性代数方程组,通过可压缩SIMPLE算法求解气相流场。用PSIC方法进行气粒耦合计算,得到了气粒两相的速度、温度等参数的分布以及不同尺寸的A l2O3粒子运动轨迹。计算结果表明,在发动机工作初期气粒两相流场呈现强三维特征,长尾管中后段、喷管收敛段以及燃烧室后封头等部位是烧蚀最严重的部位。     

随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用

应用随机轨道模型对喷管内气-固两相流动进行了数值模拟,结合实验测量结果对使用随机轨道模型和确定轨道模型两种方法的计算结果进行了对比分析,研究了不同固相参数(固相质量比和粒子平均直径)下的固体火箭发动机喷管性能。研究发现,随机轨道模型对实际流动现象的模拟优于确定轨道模型,随着固相质量比和粒子平均直径的增加,喷管两相流损失增加,冲量系数下降。     

固体火箭发动机喷管的入口和喉部区域的粒子冲刷侵蚀作用

为了计算固体火箭发动机喷管在亚音速和跨音速区域包含担子侵蚀作用在内的消蚀,己研究出一种预测方法。该法包括一个预测粒子侵蚀作用的经验模型和预测粒子冲刷状态的流场计算方法。侵蚀模型是根据熔融的铝和氧化铝粒子冲刷碳试样的试验而推导的。模型考虑既有机械物质排出又有粒子与表面之间的化学反应。粒子冲刷喷管入口和鼻锥区域的状态及部位是由可延续到燃烧室全长的两维、两相流计算方法得到的。因此,此方法中已包括燃烧室和药柱几何形状对粒子侵蚀的影响。     

"长二丙改"上面级CPKM发动机喷管两相粘性流动数值模拟研究

对“长二丙改”火箭上面级CPKM发动机喷管的高空性能进行了预示。气相采用显式MacCormack差分格式、颗粒相采用特征线法,数值求解采用轴对称二维两相粘性流动模型。对CPKM发动机喷管进行数值模拟,所得的发动机平均推力与实测性能数据相比较,相对误差为2．3％。研究表明,所采用的流动模型和数值模拟方法,对高空大面积比喷管性能进行的预示是有效的。     

固体火箭发动机的喷管

一引言固体火箭发动机的喷管通过控制排气的膨胀使燃烧室产生的燃气能量有效地转换为动能,因而给飞行器提供推力。飞行器约65～75%的推力是将燃烧室产物在喷管喉部加速到声速所产生的,其余的推力是通过喷管扩散段产生的。通常喷管设计的目的是控制其膨胀程度使整个飞行器的航程和有效载荷在一定的外形、重量和成本的限度内达到最大。因此,喷管是飞行器的组成部分,不能独立于该系统使喷管最佳化。由于这种相互