固体火箭冲压发动机二次燃烧试验研究

针对某工程论证需求,分别采用缩比和全尺寸固体火箭冲压发动机,利用地面直连试验系统,开展了壅塞式固体火箭冲压发动机试验研究,采用燃烧效率和试验比冲作为评价指标,对比分析了燃气发生器进气方式与喷嘴结构、空燃比、燃气流驻留时间、尺寸效应等因素对发动机二次燃烧性能的影响。结果表明,设计的一次进气发动机能够实现高效燃烧;在测试范围内,空燃比增大发动机燃烧效率降低;延长燃气驻留时间,提高了发动机二次燃烧性能。     

固体火箭冲压发动机燃气流量调节的负调现象

研究了可变流量固体火箭冲压发动机所存在的燃气流量负调现象,分析了负调现象产生的机理是由于燃气发生器压强的变化过程滞后于喷嘴面积的变化过程。基于燃气发生器动态工作模型,以某型固体火箭冲压发动机为例,通过仿真分析研究了燃气发生器空腔容积和燃气阀门调节速度对负调过程的影响:当燃气发生器空腔长度为0.1 m、阀门调节时间分别为0 s和2 s时,对应的燃气负调量为82.6%和1.7%、响应时间为0.21 s和1.76 s;当燃气发生器空腔长度为0.8m、阀门调节时间分别为0 s和2 s时,对应的燃气负调量为82.6%和11.4%、响应时间为1.69 s和2.85 s。基于上述分析结果,还提出了减小固体火箭冲压发动机燃气流量负调程度的措施。     

燃气自增压混合火箭发动机特性及关键技术分析

针对燃气自增压混合火箭发动机,建立了性能计算模型,对该型发动机的比冲性能及推力调节性能进行了研究,并系统梳理了该型发动机存在的主要关键技术。计算结果表明,燃气混合火箭发动机具有比常规固体火箭发动机更高的比冲性能,其中氧化剂采用N2O时,可同时兼顾高比冲和高体积比冲的优势;相对于传统的固液混合火箭发动机,燃气混合火箭发动机的理论比冲略低,但具有更高的体积比冲;合理选用燃气发生器中推进剂的燃速压力指数,可确保推力调节过程中氧燃比不发生大幅变化。     

固化发动机推力调节涡流阀方案实验研究

从实验角度探讨了不同控制气流对推力调节固体火箭发动机燃烧室压强的影响。就燃气发生器方案、氮气和空气控制气体方案进行了研究，获得了一些有价值的结论：高温控制气流比低温控制气流调节效果显著；当采用空气作控制气流时，能有效地进行补燃，释放大量能量，因此调节效果显著。     

燃气喷注条件对中心支板式固体冲压发动机燃烧性能影响研究

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点，然而在超声速空气流的燃烧室中，如何让燃料更好地与空气掺混，增加颗粒停留时间，在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。提出了一种基于中心支板燃气喷注的含硼固体火箭超燃冲压发动机方案，开展了模拟马赫数6.0、高度25 km来流条件下的地面直连试验和数值仿真研究，验证了该方案的合理性和优势，并获取了燃烧室内的燃烧特性，探寻了固体燃气喷注方式对燃烧室性能的影响规律。结果显示，相比于中心支板喷注方案，侧壁喷注存在总压损失大、反压激波串长度大、进气要求严苛等问题，但能够增强掺混，提高燃烧效率,缩短燃烧所需距离；而在中心支板式固体冲压发动机中，在燃烧室侧壁面引入较小流量的一次燃气，可以增大固体颗粒在燃烧室内的穿透深度，提高燃烧效率和燃烧室性能。     

固体火箭冲压发动机技术研究进展

近年来,固体火箭冲压发动机获得飞快发展,本文综述了其技术研究进展,为后续固体火箭冲压发动机技术及相似技术的发展提供借鉴。主要介绍了固体火箭冲压发动机的燃气流量调节技术、贫氧推进剂技术、高效燃烧组织技术、转级技术等关键技术。总结发现国内外关键技术已取得了较全面突破,逐渐进入工程实用阶段,但燃烧基础问题研究不足。因此,有必要进一步深入开展推进剂细观燃烧、多相湍流燃烧、金属颗粒燃烧等基础科学研究,进而促进固体火箭冲压发动机技术发展。     

非壅塞固体火箭冲压发动机二次燃烧室进气方案研究

用k-ε湍流模型以及EBU燃烧模型。对固体火箭冲压发动机二次燃烧三维反应流场进行了数值计算,研究了空气射流与富燃燃气射流动量之比、射流速度和燃气发生器喷管数量对二次燃烧的影响。研究结果表明,当空燃动量比在一定范围内时。若空燃动量比变大,则二次燃烧效率升高;降低空气和燃气射流的速度有利于二次燃烧效率的提高;并且增加燃气发生器喷管数量能增强燃气与空气在头部的掺混效果,为燃烧创造良好的条件。     

固体火箭冲压发动机燃气发生器及燃气流量调节阀建模及仿真

研究了一种气动式的燃气流量调节阀,并建立了固体火箭冲压发动机燃气发生器和气动式燃气流量调节阀的数学模型及仿真模型,对燃气流量调节阀仿真模型进行了试验验证,动态误差和稳态误差都在5%以内。通过仿真获得了燃气发生器和燃气调节阀的动态响应特性。仿真结果表明,燃气调节系统开环响应速度较慢,并具有很强的非线性。     

具有反应流的固体冲压式火箭 发动机侧向进气道排放燃烧室的研究

固体冲压式火箭发动机是冲压发动机的一种变种。本研究使用一个带侧向空气道的排放燃烧室。考虑反应流,在燃气发生器中装填了50％高氯酸铵和50％聚酯的富燃推进剂。将κ—ε联立方程描述的湍流模型和一个简单、一步、快速反应的化学动力学总合成椭圆型偏微分方程来描述流场。为了适合所研究的问题,由改进的TEACH计算机程序来求解。基于此分析,更加深入地了解到混合和燃烧对固体冲压式火箭发动机全部性能的影响。将侧向空气进气道的位置移向燃料进气道,减少侧向空气进气道的角度,以及增加空气对燃料的比例,都能改善混合和燃烧特性,提高固体冲压式火箭发动机的比冲,这与Vanka的分析结果和Schadow的试验数据定性地一致。     

固体火箭冲压发动机设计技术问题分析

总结了自1965年以来固体火箭冲压发动机研制技术的总体发展特征和趋势,结合当前新一代战术导弹提出的大空域、宽Ma数和大机动性等越来越高的设计需求,从冲压发动机热力循环技术本质要求出发,分析了当前工程上普遍采用的固定几何进气道、固定几何喷管、燃烧室共用、无喷管助推器和变流量燃气发生器等5项主体设计技术固有的技术缺陷、不足和局限性,明确指出现行的折中设计思想是产生问题的根源,提出未来应遵循"开源节流"设计思想,优先突破喷管调节技术,积极开发进气道调节技术,努力提高现有燃气发生器变流量调节技术水平,切实完善固体火箭冲压发动机热力循环,以促其成功应用。     

法美联合实施Rustique计划

法美两国正在联合实施一项称为Rustique的先进火箭冲压发动机研究计划。法国将根据这一计划的结果来确定是否研制一种新的反辐射导弹以及是单独研制还是进行国际合作;美国可能将这项计划中得到的数据用于AIM-120先进中程空空导弹该火箭为“无喉道式”的,也就是固体火箭燃气发生器与冲压喷气发动机之间没有喉道。冲压喷气发动机利用火箭发动机的燃火自行点火。 在导弹飞行过程中,可以自动调整火箭发动机的燃气发生器性能以使冲压喷气发动机工作正     

固体火箭冲压发动机性能调节研究

在对固体火箭冲压发动机的高度特性进行分析的基础上，分别研究了壅塞式和非壅塞式固体火箭冲压发动机性能调节特性及方案，并着重分析了非壅塞式固体火箭冲压发动机的燃气流量自适应调节原理与规律，分析计算表明，非壅塞式固体火箭冲压发动机不仅结构简单，且能明显提高发动机在非设计状态时的性能。     

无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程内流场计算

本文提出了计算无喷管固体火箭发动机压力建立过程的 P(x,t)模型,它的控制方程是一组一维非定常两相非平衡流和一组一维非定常两相非平衡流动力学方程,该方程采用 MacCormack 显示差分格式求解.本文还建立了在跨音速和超音速气流流动下的侵蚀燃烧模型,该模型适用于无喷管固体火箭发动机.利用本文的模型可精确预示无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程的内弹道性能,并可研究无喷管固体火箭发动机的内流场变化规律.     

燃气流量可控的固体火箭冲压发动机动态建模及模型降阶

燃气流量可控的固体火箭冲压发动机促进了其燃气流量控制系统的研究.模型研究是控制系统设计的基础.基于集中参数的思想建立了燃气流量可控的固体火箭冲压发动机动态模型,分析了固体火箭冲压发动机动态模型参数的物理意义及其工作过程中的变参数特性, 固体火箭冲压发动机动态响应时间由冷区容积时间常数、热区容积时间常数、激波传播时间常数和激波容积时间常数等组成, 工作条件的较大变化使得固体火箭冲压发动机在工作过程中具有较强的变参数特性.最后对固体火箭冲压发动机动态模型进行模型降阶,由频率分析的结果可知,模型降阶是合理的.     

空燃比对含硼固冲发动机补燃室燃烧影响

进行了缩比发动机直连式试验研究,在燃气发生器试验和冲压发动机试验中对尾焰进行喷水收集残渣,研究了空燃比对含硼推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响,并将试验结果与数值模拟结果进行对比。结果表明,研究的含硼推进剂配方具有良好的低压点火特性,并具有较高的喷射效率;冲压发动机尾焰中硼燃烧产物的直径都在5μm以下;当空燃比很高时,发动机虽能正常工作,但燃烧效率和喷管效率都很低。     

固体火箭冲压发动机一体化CAD系统设计

针对固体火箭冲压发动机的特点，研制了固体火箭冲压发动机CAD软件，该软件系统包括了燃气发生器设计、助推补燃室设计、进气道设计、发动机性能计算和飞行弹道的计算。使用该系统可进行固体火箭冲压发动机总体方案论证，预估发动机的主要结构尺寸和发动机的整体性能。本文以一假想的空－空弹用固冲发动机方案设计为例，介绍固冲发动机设计步骤和软件系统的特点。     

固体火箭冲压发动机的若干技术问题

简述了固体火箭冲压发动机类型及工作原理,总体评价了固体火箭冲压发动机发展时快时慢的原因,弹-机一体化设计、贫氧推进剂、进气道、转级机构、补燃室等设计中应注意的问题,提出了应加强的研究工作,即开展高能低沉积燃烧产物贫氧推进剂研究;完善多种燃气流量调节装置方案,提高其可靠性;进一步开展一次燃烧和二次掺混燃烧的理论和实验研究,提高燃烧效率;尽快建立自由射流等试验研究手段,开展相关的研究工作;适时开展固体燃料冲压、固体超燃冲压及膏体冲压等发动机的研究,不断拓宽应用领域。     

发动机起动燃气返腔仿真与影响分析

针对某液体火箭发动机在试车起动时出现的燃气发生器头部温度过高现象,建立了发动机起动时发生器及燃气系统内部流动的三维模型,通过Fluent流场计算对起动燃气路内流场进行了模拟和分析。从启动器起动0.65s定常流场计算结果与0～0.65s的瞬变流场计算结果中可以看出,火药启动器燃烧后的起动燃气沿倾斜的燃气入口进入燃气路,经内壁反射后冲入燃气发生器,燃气进入发生器头腔,造成了发生器头部温度过高。调节氧头腔氦吹除流量,进行起动的0.65s定常数值模拟。模拟结果表明,适当增大吹除流量是控制起动时发生器头部温度的一个行之有效的手段。再将燃气多通的燃气入口倾角改进为80°倾角和90°倾角,分别建立模型并进行了起动的0.65s定常数值模拟。模拟结果与原模型进行比较时发现,燃气入口倾角增大可以在一定程度上改变起动燃气路径,减少燃气返腔造成的头腔温度峰值过高的影响。     

用于单级人轨的塞式发动机动力循环选择

寿命周期费用分析再次表明:单级入轨可显著降低有效载荷入轨费用.因为没有分级的优势,那么单级入轨火箭就需要非常高的性能和轻的质量。在对可重复使用火箭进行结构分析的过程中,所进行的一项主要研究是动力循环的选择。在普通钟形喷管发动机中,采用的是高室压的补充加注循环如分级燃烧循环或混合式预燃室全流量循环。与燃气发生器循环相比,选择这些循环方式使质量增加,但是可接受的,且性能优于燃气发生嚣循环.在塞式结构中,必须把普通燃烧室的单一圆形喉部分割为许多小的喉部摆放在发动机的周边上.这种结构与普通的钟形喷管相比,需要从中心的涡轮机伸出较长的高压推进剂导管.在分级燃烧循环中,大部分推进剂进行不完全燃烧而且低密度高温燃气需要直径较大的导管.该导管增加的质量抵捎掉了补充加注循环增加比冲所带来的好处,这就促使选择燃气发生器循环.在此将作详细比较研究.     

固体火箭燃气超燃冲压发动机概念分析(Ⅰ)——全流道一体化设计

针对中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机,从大气模型、进气道、燃烧室及尾喷管四个模块出发完成了其一体化流道设计。针对所设计的发动机设计点及非设计点,采用全流道一体化数值模拟的方法对发动机设计的合理性进行了验证。研究结果表明,发动机设计点及非设计点进气道均已启动,燃烧室及后体工作状态良好,验证了发动机设计的合理性;碳颗粒的燃烧效率限制了发动机整体的燃烧效率水平及发动机性能,发动机设计点整体的燃烧效率为49%,比冲仅有3674.61 m/s,提升碳颗粒的燃烧效率作为固体火箭燃气超燃冲压发动机性能提升的关键点;由于燃烧室长度可能较短,构型较为简单,这对于发动机的一体化设计是不利的,如果能合理布置燃烧室构型,则对固体火箭燃气超燃冲压发动机的二次补燃效率及发动机性能的提升有所帮助。