多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性可视化研究

为研究高空多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性的可视化计算,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型的三维N-S方程描述尾焰流动过程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,采用PISO算法对多喷管动力系统尾焰流动过程进行求解,得到了尾焰流场的各项参数分布.在此基础上,运用气体辐射传输方程和SLG模型对不同方向观测面上接收到的尾焰辐射照度进行计算,得到尾焰在不同方向上的辐射特性分布,进而实现尾焰辐射特性的可视化计算.计算结果表明:高空助推器尾焰的辐射特性要明显强于芯级,其中喷管出口处尾焰的辐射特性最强,最容易被发现和识别;尾焰辐射特性的可视化计算可以有效捕捉到尾焰流场的结构,从而为尾焰的红外追踪与预警研究奠定基础.     

固体火箭发动机尾焰流场特性研究

针对某固体火箭发动机,对二维轴对称尾焰流场进行数值模拟,并考虑复燃化学反应和Al2O3颗粒运动的影响。计算得到了尾焰射流的温度场和组分分布图,将计算结果和地面实验结果进行对比,对尾焰流场主要特点进行分析。结果表明复燃化学反应主要发生在燃气空气混合区域,化学反应使复燃区域温度升高约250 K。该计算方法能反映出尾焰复燃流场的主要特点,可为固体火箭发动机尾焰红外特性的计算提供流场基本数据。     

火箭发动机有遮挡情况的尾焰红外辐射计算

火箭发动机工作过程中的尾焰会产生强烈的红外辐射,对其结构及载荷有加热的效果,同时一些结构成为了遮挡物体,会影响辐射的传输。为了研究复杂的有遮挡状况下的红外辐射传输,采用反向蒙特卡洛方法,编写气体红外辐射计算程序。计算并分析标准等温流场对其表面的辐射强度,与教材算例对比,验证了红外辐射算法的有效性和正确性。针对某尾焰复燃流场,分别计算并分析尾焰流场有无遮挡两种情况下的气体红外辐射强度。并比较了遮挡物在不同形状、尺寸、位置下产生的影响。研究表明:尾焰的辐射会对发动机结构产生热影响;增加遮挡后,被遮挡区域的辐射强度数值明显减小;遮挡的形状、尺寸及位置都会对其效果产生影响。     

火箭发动机尾喷焰红外辐射缩比特性数值研究

为了研究火箭发动机缩比模型对应尾喷焰辐射特性的相似性,利用喷焰红外辐射特性计算工具(IRSAT)对近地面飞行状态下的不同喷口缩比尺寸、飞行马赫数以及不同谱带内的辐射特性进行仿真计算。计算结果表明,相同尺寸当量时,2.7μm光谱辐射强度增加量大于4.3μm光谱辐射强度;在当量尺寸较小且缩放比例不大(R12)时,辐射强度随马赫数的分布具有一致性;随着当量尺寸的增加,红外辐射相似性随着马赫数的增加逐渐降低。     

固体火箭点火超压形成机理与影响因子研究

为研究固体火箭点火超压的形成机理和影响因子，以Ariane 5火箭固体助推器1/35缩比模型为研究对象，〖JP+1〗基于可压缩气体三维Navier-Stokes方程建立固体火箭尾焰流场的数学模型。同时，使用有限速率/涡耗散模型表征尾焰复燃反应，采用有限体积法求解火箭尾焰流场控制方程，得到箭体尾部近场的点火超压幅值与分布情况。与试验数据比较，数值结果较好的反映了点火超压的过程特性。进而，采用该数学模型和求解方法，研究了点火超压的影响因子。计算结果表明，尾焰复燃反应对点火超压的影响较小，与无复燃反应的计算结果比较，点火超压的峰值相对变化幅度不大于1.85%，点火超压的波形与分布特性的变化可以忽略；建压速率越快，点火超压峰值越大，且呈非线性比例关系增长；喷管膨胀比主要影响点火超压的波形，对其峰值影响较小。     

低空多喷管发动机喷焰红外特性研究

对多喷管火箭发动机低空尾焰的红外辐射特性进行了研究.基于热流法建立了喷焰红外传输计算模型,数值模拟了四喷管发动机尾流场2～5 μm光谱的红外特性.获得了光谱、波段辐射强度仿真数据及红外仿真热像,并与单喷管喷焰的红外特性进行了比较.考察了不同的喷管间距、探测方向、飞行高度对喷焰表观辐射强度的影响.结果表明,多喷管尾喷焰红外辐射光谱选择性与单喷管相似,但光谱峰值无线性关系;对于低空四喷管发动机尾喷焰,红外特性随喷管间距增加有所增强,随飞行高度增加,喷焰红外辐射强度提高.     

液体火箭燃烧尾焰冲击干扰效应数值研究

火箭发射时其燃烧尾焰的冲击干扰效应对发射稳定性和发射架、导流槽等地面设施有重要影响。文章采用压力隐式算子分裂算法,通过求解Navier-Stokes方程,对氢氧液体火箭发动机燃烧室内燃烧过程与尾焰流场进行了一体化数值计算,得到了火箭发射后尾焰与地面撞击产生的冲击流场。结果表明:尾焰流场计算模型、方法与结果合理;尾焰冲击干扰效应会大幅度提高地面附近的压力和温度;火箭尾焰撞击地面后,高温区出现在离地面一定距离的高温层内,此时地面附近为低速区;尾焰对其正下面的地面区域产生冲击最大,主要干扰区域集中于半径为15 m的圆形区域。     

固体火箭发动机撞击安全性数值分析

针对固体火箭发动机撞击安全性问题,采用数值分析方法,建立了某两型高能固体火箭发动机轴向与径向撞击模型,完成了不同速度、不同撞击角度下的发动机安全性分析计算,得到了在不同撞击条件下固体火箭发动机推进剂的燃烧、爆炸等反应特点。对比相同工况下的火箭撬试验结果,计算结果与实际试验接近,验证了数值模型及参数的正确性。利用已验证的模型和参数,采用相同的计算方法,通过对模型在不同速度下进行多次仿真计算,得到两型发动机的撞击临界速度。研究表明,对于高能固体推进剂固体火箭发动机,随着尺寸与装药量增大,其撞击安全性降低,在相同尺寸时,径向撞击比轴向更容易发生反应。研究结果为高能固体火箭发动机的设计及撞击安全性分析提供了参考。     

固体火箭发动机喷流流场数值仿真

采用The Diagonalized Upwind Navier-Stokes（DUNS）程序对两种火箭发动机的喷管-尾喷焰进行了一体化数值仿真。DUNS程序采用对角化ADI算法对雷诺平均N-S方程进行了求解，求解过程采用三阶精度TVD格式，q-ω两方程湍流模型。首先对文献中典型喷管的喷流流场进行了数值模拟，与文献结果进行了对比，然后针对某型号固体导弹的喷管一尾喷焰在不同飞行高度和不同飞行速度进行了数值模拟，为对该型号导弹的尾喷焰开展红外辐射研究打下了基础。     

复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响

为了研究垂直起降液体火箭在返回阶段发动机反向喷流及复燃对箭体着陆支腿和底部热环境的影响,建立了尾焰复燃、流场及光谱辐射计算模型。在国内率先对垂直起降液体火箭在返回阶段的箭体底部热环境进行了数值计算,流场计算采用商业软件,复燃反应使用有限速率化学反应模型;采用HITRAN数据库获得喷流气体组分的光谱吸收系数、正反光线踪迹法求解辐射传递方程。利用文献实验结果,对计算进行了验证并考察了复燃对底部热环境的影响。结果表明:复燃反应对包括箭体底面、侧壁面及着陆支腿的对流和辐射热流密度均会明显升高,最高可达80%以上。因此,研究成果适用于液体火箭返回阶段底部精细化热设计,且在设计过程中有必要考虑复燃的影响。     

羽流UV-VIS辐射在液体火箭发动机故障诊断中的应用技术研究

为发展基于羽流UV－VIS辐射光谱的液体火箭发动机故障诊断技术,以光谱采集系统为测量手段对三组元模型发动机排气羽流及用以模拟煤油－氧发动机燃烧的气氧－煤油火焰的近紫外与可见光谱辐射进行了实验研究,利用辐射传递模型对实验结果进行了理论计算,利用演化算法对实验结果进行了反算。研究结果表明该项技术具有很强的可行性和实际工程意义。     

固体火箭发动机羽烟特征信号的分类及测试评估概述

介绍了国外低特征信号固体推进剂分类标准和固体火箭发动机羽烟特征信号分类及测试技术等方面的工作,主要内容涉及发动机羽烟特征信号的定义、产生根源、对使用的影响、理论预估及特征信号测试评估的各种实验方法和设施,并预示了羽烟特征信号测试与评估的发展方向。     

红外热像仪在固体火箭发动机羽焰测温中的应用

利用红外热像仪测量固体火箭发动机尾焰温度场。考察了红外发射率影响测量精度的主要因素在空间的分布,通过在尾焰区域建立二维直角坐标的方法,成功实现了热图分析位置和空间实际位置之间的双向互换,在某种程度上弥补了红外热图分析软件的不足。     

热防护材料在火箭羽流正冲条件下烧蚀性能的研究

在固体火箭的发射技术中，常常涉及处在火箭羽流冲刷下发射装置表面热防护材料的烧蚀问题，技术人员需要了解材料的烧蚀机理及其速度的予测。为此，本文对热防护材料在火箭流正正冲条件下的一无是处地理论分析与实验研究，并提出了一种能予估材料烧蚀性能的计算方法，计算结果与实例相符。     

固体火箭羽焰的辐射特性及其温度测量技术述评

叙述了固体火箭羽焰的辐射特性,简要地介绍了热电偶法、等离子体法、光纤测温法、谱线反转法、发射吸收法、喇曼光谱法、微波衰减法、红外测温法和多光谱测温法的原理和应用。评述了这些火焰测温方法在羽焰测温上的适应性,并指出多光谱测温技术是羽焰测温的发展趋势之一。     

用添加剂抑制固体火箭发动机排气二次燃烧的研究

介绍了采用化学添加剂抑制固体火箭发动机排气二次火焰的实验研究。10种化学添加剂的实验结果表明,其中5种对二次火焰有抑制作用。进而又以它们对一种双基推进剂和一种中能无烟推进剂装药发动机羽流二次火焰的抑制效果,以及羽流对电磁波衰减的影响,进行了实验验证。另外,还用附加药片法对添加剂的消焰效果做了实验,证明这是一种简便实用又不影响推进剂燃烧性能的抑制剂施加方法。     

固体火箭发动机排气羽流对红外制导信号衰减的计算方法

固体火箭发动机排气羽流对红外制导信号的衰减研究,对红外信号的探测与制导具有重要的理论和应用价值。文中主要介绍了红外制导信号的衰减机理,提出了计算排气羽流红外制导信号衰减的有效方法,编制了计算软件DROP,用该软件计算了水雾及颗粒群的光谱透射比,并与SIRRM软件的计算数据进行了对比。结果表明,两者数据基本一致,在工程应用中具有较大的参考价值。