液氧/甲烷高压补燃火箭燃烧室研究

采用一台小型推力室对液氧/甲烷推进剂的高压补燃火箭燃烧室进行了实验评估,富燃预燃室和主燃室均单独进行了试验.预燃室/主燃室装置的试验条件是:主燃室压力7—9.6MPa,混合比3.1—3.7.预燃的燃气温度760—1070K,推力范围4.6—6.4kN.试验评估了在使用不同类型的主喷注器和预燃室喷注器时,预燃室和主燃室的燃烧性能、主燃室内的热通量分布以及室壁和喷嘴表面的积碳特性.此外,还推导了表征主燃室燃烧效率的经验公式.实验装置的任何部位均未出现严重的积碳,也未检测到由于室壁的积碳而引起热通量的明显减小.     

常温推进剂发生器低压点火动态特性分析

针对常温推进剂富氧燃气发生器低压点火室压存在低工况建压缓慢的问题,提出一种基于推进剂转化率修正系数的修正方法。该方法将抛物线函数和双曲正切函数结合,形成新的修正系数函数,以燃气发生器混合比下降至临界混合比时刻作为修正系数函数切换点。经不同点火时序低压点火试验验证,仿真模型计算获得的燃气发生器室压与试验值最大动态误差为4.6%。采用混合比36为临界混合比,可以在较宽的范围内准确捕捉到推进剂开始正常燃烧的时间点。富氧燃气发生器中若提前进入过多氧化剂会导致大量积存,将与其后进入而不断累积的燃料瞬间发生剧烈化学反应导致室压出现超调峰值,在时序设计中应在保证富氧点火的前提下尽可能缩短燃料与氧化剂进入的时差。     

气氢/液氧同轴喷注器变工况燃烧流场相似性

为研究不同室压工况下气氢/液氧燃烧流场的相似性,设计了喷注器试验件,并采用数值仿真和热试验的方法对气氢/液氧喷注器的喷雾燃烧流场进行了研究。数值仿真选取试验件的1/6进行三维稳态计算,其中湍流模型采用SST k-ω模型、化学反应采用考虑氢氧6组分9步反应机理的涡耗散概念模型、液氧液滴采用离散相模型,共进行了2.8～9.8 MPa范围内8种典型工况的数值仿真。热试验采用气氢/液氧推进剂,进行了4.5 MPa、5.4 MPa和6.8 MPa这3种不同室压工况共4次挤压热试验,采用量热式水冷身部对燃烧室壁面热流进行了测量。仿真和试验结果表明：对于气氢/液氧同轴直流喷注器,在混合比、氢氧温度和喷注速度相同的情况下,当室压大于液氧临界压力时的燃烧流场具有相似性;而室压小于液氧临界压力时的燃烧流场与大于临界压力的燃烧流场结构存在差异。     

用于先进火箭发动机的富氧预燃室

洛克达因公司已成功地设计和生产出了富氧的液氧/气氢预燃室,并在燃烧室绝压为14.1～21.3MPa,质量混合比为117—174,推进剂总流量为14.0～23.6kg/s 的工作范围内通过了热试车考验。按费用低、重量轻、易操作等原则设计的先进的富氧预燃室,其推进剂射流都处在同一个平面上(喷注面),以实现沿不冷却的燃烧室轴线方向的均匀燃烧。在八次主级工作时间为1～5秒的试车中,直径89mm 的富氧预燃室喷注器多次反复地验证了其良好的点火、火焰传播和火焰维持等特性,而且当通过测量计算所得的特征速度效率为99%时,没有不稳定燃烧的迹象出现。此时测得的燃气平均温度从260℃(混合比 I_m—174)到538℃(r_m—117),而且每次试验,各方向热电偶的测量值相差不大于24℃。全尺寸的富氧 LOX/GH_2预燃室的成功热试车证明了全流量补燃循环(Full-Flow Staged Combustion Cycle 简称 FFSC 循环)发动机设计的一个关键启动技术已被突破。本报告总结了富氧预燃室的研究情况并进而对确保可靠地实现点火、火焰传播和火焰维持,使预燃室形成高水平的推进剂混合和质流的均匀性的喷注器进行了设计分析。     

高压低混合比氢氧预燃室出口温度均匀性分析

为了深入了解高压低混合比氢氧预燃室的出口燃气温度均匀性,设计了一个缩尺预燃室,开展了不同缩进深度比、扰流结构、工况下缩尺预燃室出口燃气温度均匀性的研究,并通过全尺寸预燃室试验验证了设计方案的合理性。试验结果表明：随着缩进深度比的增加,燃气温度均匀性逐渐提高;随着室压、混合比的升高,扰流环结构的均温效果提高;扰流环与拐弯结构的组合方式可使燃烧室内的温度均匀性提高54.8%～89%;在喷嘴设计参数下,相对于同轴离心喷嘴,采用同轴直流喷嘴的缩尺预燃室在50%～100%工况下的出口燃气温度均匀性较优;当采用扰流环及90°拐弯结构时,全尺寸预燃室的出口燃气温度均匀性在±50 K范围内,同时相对于氢涡轮侧出口,氧涡轮侧出口的燃气温度均匀性更优。     

常规推进剂发动机高压富氧燃气燃烧处理方法与试验

针对大推力常规推进剂补燃发动机燃气发生器试验的高压富氧燃气的无毒化排放处理需求,设计了国内首个大流量高压富氧燃气实时燃烧处理装置,实现了某补燃发动机富氧发生器试验燃气的燃烧处理。处理装置采取快速降压和混水补燃的技术方案,首先采用超声速拉法尔喷管和多孔阻尼板,使排气的压力大幅下降,并通过整流装置保证排气流场参数均匀,为下游燃烧室提供低压低速的稳定气流;然后采用分级燃烧室,在燃烧室轴线的不同位置多次喷射混水燃料,实现与富氧排气进行补燃,通过控制混合比和燃烧温度,保证NO_x转化为N₂和CO₂。试验结果表明,处理装置燃烧稳定,结构可靠,排气压降比超过95■,补燃效率超过0.9,实现了无毒化处理能力超过每秒百千克量级。     

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。     

富氢燃气与空气低压补燃特性研究

氢氧火箭发动机在飞行过程中排出富氢燃气与周围低压空气发生补燃,直接改变发动机周围的热环境,影响发动机各组件性能。通过试验及仿真研究了不同燃气温度、燃气组分对于富氢燃气低压补燃特性的影响。富氢燃气与空气的低压补燃试验表明:常压下富氢燃气温度高于932 K时发生补燃,低于877 K时不发生补燃;富氢燃气温度高于950 K,环境压力60 kPa时富氢燃气发生补燃,30 kPa时不发生补燃;仿真与试验对比分析发现最大化学反应速率超过10~(-9)情况下能观测到宏观的富氢燃气与空气的补燃现象,燃气温度和氢气含量越高,其与空气发生补燃的临界压力越低。当压力低于10 k Pa时,燃气温度1 200 K,氢气含量87. 4%也无法与空气发生补燃。     

过氧化氢分解后燃气喷注压降对发生器非正常熄火的影响

通过试验和数值仿真分析了过氧化氢催化分解后燃气通过同轴喷嘴的喷注压降对过氧化氢/低浓度酒精燃气发生器非正常熄火的影响。研究表明：燃气喷注压降或喷注速度是影响发生器正常工作的重要因素,当燃气喷注压降为1.0MPa时,喷注速度过大,火焰无法在燃烧室内稳定,造成熄火;而当燃气喷注压降为0.2MPa后,喷注速度降低,火焰稳定并维持正常燃烧。     

后置燃气发生器的新型固冲发动机工作过程数值模拟

进行了后置燃气发生器的新型固体火箭冲压发动机直连式试验,并对实验演示用发动机补燃室三维内流场进行了数值模拟,将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。采用单因素比较分析的方法,研究了一次燃气喷射方式与补燃室长度对固冲发动机性能的影响。结果表明,一次燃气喷射角度为150°时的燃烧效率比60°时高14%,补燃室燃烧效率在一次燃气喷射角度为180°时达到最大值;8喷口的燃烧效率高于4喷口;补燃室长度增加,燃烧效率增大,补燃室长度为149 mm时的燃烧效率比99 mm仅高5%。     

液氧-甲烷(丙烷)火箭燃料的结焦和积碳特性

报道美国近几年来对液氧-甲烷(丙烷)火箭燃料结焦和积碳特性研究的初步成果.较详细地介绍了电热管结焦试验和燃气发生器积碳试验所用的模拟装置、实验方法以及取得的研究结果.指出了解决甲烷和丙烷燃料高温结焦的方法以及消除液氧-甲烷(丙烷)富燃推进剂燃烧产物积碳的技术途径.提出了今后需要着重研究的课题.     

深度节流补燃循环发动机系统稳定性研究

补燃循环发动机深度节流过程中,系统参数大范围变化,低工况时喷注器压降和供应系统节流元件压降较低,容易出现推进剂供应系统与热力组件耦合的不稳定问题。针对10∶1深度节流富氧补燃循环发动机,通过Nyquist稳定性分析方法,对发动机全工况范围内泵后供应系统和燃气系统耦合稳定性进行仿真研究。结果表明:富氧补燃循环发动机燃料供应路与燃气路形成的闭环系统在低工况时,稳定裕度较低,改善燃气发生器喷雾燃烧效果以缩短时滞、增加燃气停留时间、在靠近燃气发生器位置增加供应系统压降能提高系统稳定裕度。     

富氧预燃室初步试验研究

为了研究全流量补燃循环发动机中富氧预燃室的点火以及燃烧特性，对点火方案和预燃室方案进行了分析。通过对多种预燃室结构形式和点火方式的比较，提出了适合于富氧预燃室初步试验要求的点火方案，研制了热表面谐振点火器并采用间接点火方式研制了氢氧火炬点火器。点火器的试验结果表明氢氧火炬点火器能够多次可靠地点火并生成稳定的点火火炬。由于不受谐振产生条件的限制，氢气和氧气的流量和混合比可以在较大的范围内选择，生成点火火炬的温度范围也很宽。对确定的富氧预燃室方案进行了设计加工，经过三个阶段的热试车，富氧预燃室的关键参数均达到了设计要求，结构无烧蚀，工作可靠，完全可以满足全流量补燃循环发动机系统对富氧预燃室的要求。     

液氧/甲烷液体火箭发动机燃烧研究最新进展

近来,俄罗斯和欧洲正在联合进行一个名为“VOLGA“的研究计划.其主要目标是用于可重复使用运载火箭或大型助推器的液氧/甲烷发动机的概念研究.SNECMA的主要工作是研究预燃室/燃气发生器的可重复使用技术,在液氧/液氢“火神“燃气发生器研制过程中,获得了很多低温推进剂的燃烧经验,但液氧/甲烷富燃燃烧带来了许多新的问题:如喷注性能、燃烧效率、稳定性、积碳形成等.为了解决上述问题,目前正在进行实验和理论两方面的研究.ONERA的马斯喀特(Ma scotte)试验装置就被改造用于研究甲烷的燃烧.最初的研究完成了对低混合比和压力范围在0.1MPa到6.0MPa下的液甲烷和气甲烷同轴喷注技术的评估.各项研究在继续进行,以求对液氧/甲烷低温燃烧问题进行完整的描述和理解.除了上述研究外,还在进行计算流体力学数值模拟工具的更新工作,但是只有一些非常特殊的工况点才需要进行修改工作,这是因为过去的火箭发动机燃烧研究工作已经对液氧/液氢低温燃烧特性有了深入的理解,有很多研究成果可用于液氧/甲烷燃烧研究.目前的主要问题集中在甲烷的高频燃烧稳定性和燃烧化学效应方面.在一个称为INCA的新的燃烧研究计划框架内将对这些问题进行研究.     

电动泵压式发动机系统方案与性能评估

提出了一套电动泵压式液体火箭发动机系统方案,编写了发动机评估程序,能够预估给定推力、混合比、室压条件下,发动机比冲及各组件质量。研究结果表明,电动泵发动机适合作为长时间工作的动力;存在与室压相关的临界时间点,系统工作时间大于该时间点时电动泵发动机相比燃气发生器循环质量更轻;室压大于2 MPa,工作时间大于317 s时,电动泵系统具备质量优势。     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

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,然而在超音速空气流的补燃室中,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。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

凹进和非凹进旋流同轴式喷嘴的比较研究

试验评定了液氧/氢旋流同轴式喷嘴的燃烧性能。水/氮气的冷流试验发现液氧出口凹进的旋流同轴式喷嘴的流动具有自身脉动的特征。在2.6和3.5MPa 室压、850和500N 推力、4.0～8.0混合比的条件下进行单喷嘴燃烧室的燃烧试验。试验中测量、分析了每种喷嘴燃烧室壁的燃烧性能、室压分布及热载荷。结果表明:对于直流同轴式喷嘴,燃烧性能主要受蒸发效率所控制;对于旋流同轴式喷嘴,燃烧性能主要受混合效率所控制。已发现凹进旋流同轴式喷嘴的燃烧室壁的热负荷明显地增加了,并且在某些状态下还出现了不稳定燃烧。     

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,且随着混合比的减小,火箭推力增益增加;二次燃烧过程受火箭射流与冲压主流剪切层掺混主导,在给定的基准燃烧室长度下,燃烧效率随着混合比的提高而增加,且火箭射流与冲压主流的超/超射流剪切层燃烧过程一直持续到喷管出口;通过增加燃烧室长度,火箭富燃燃气获得更为充分的燃烧,发动机性能显著提升,但在具体发动机设计中,燃烧室长度的选取需在燃烧效率与结构惩罚之间进行权衡。     

富氢燃气与液氧爆轰及补燃特性试验研究

为了研究富氢燃气与液氧之间的爆轰及补燃特性,以某发动机故障归零为依托,采用试验研究的方法,分析了非预混和预混两种情形下发生爆轰的可能性,探究了富氢燃气与液氧自动发生补燃的条件。通过分析试验现象和试验结果发现,在较低混合比和较低温度条件下富氢燃气与液氧不会自动发生补燃,火焰颜色呈无色透明状,白天不可见。管内预混状态下,富氢燃气和液氧可以发生爆轰,最大爆轰压比约34,且持续时间为毫秒级,在上游无预混物的情况下,爆轰波不会持续向上游传播。     

富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。