固液捆绑火箭起飞喷流特性及对发射台影响研究

为了研究固液捆绑火箭起飞阶段多簇高度欠膨胀燃气射流冲击发射台及导流装置的复杂流场图谱，基于连续介质假设，建立固液捆绑火箭发射燃气羽流含Al2O3颗粒混合物流动的欧拉离散相气-固耦合流动模型，包括燃气多组分可压缩N-S方程、Al2O3颗粒流动方程、RNG k-ε湍流模型，并运用二阶Roe迎风差分格式求解控制方程的对流通量，二阶中心差分计算耗散项。在流动计算结果基础上，建立高温燃气射流的热辐射方程，采用离散坐标法(DOM)计算多簇燃气射流热辐射的影响，通过数值模拟得到火箭起飞时高度和漂移量对发射台和箭体底部底部燃气射流流动及热流密度的影响。所得结果可为发射台和箭体底部防热设计提供一定的参考依据。为了验证欧拉离散相模型及其数值方法的有效性，以固体推进剂标准发动机羽流热环境实验为对象，将数值模拟结果与实验数据进行了对比，发现两者的温度和热流密度相对误差分别为2.2%和3.7%，由此可见本文的方法具有良好的数值精度。     

真实火箭燃气羽流密度场的定量显示

本文采用用激光－莫尔偏折和自动测压系统，清晰地显示出真实火箭燃气射流场在激波处的莫尔条纹漂移，首次定量地给出了一种欠膨胀火箭射流的密度分布结果，该结果与射流理论符合较好。     

固体火箭发动机燃气射流流场和声场数值计算

燃气射流噪声是固体火箭发动机工作过程中的主要噪声源之一,射流流场的参数对其产生的射流噪声有重要影响。通过大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟,随后在合适的声源面中,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了燃气射流噪声声压级的空间分布。计算结果表明,随着喷管尺寸增大,超声速射流核心区变大,喷口流场波节数增加,对喷管尾流场的影响域扩大,其产生的射流噪声也增强;燃气射流噪声辐射有较强的指向性,在射流轴向30°角方向噪声声压级最大,与相关文献中的试验结果比较吻合。研究结果可为后续固体火箭发动机降噪设计提供参考。     

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。     

水下燃气射流流场数值研究

研究了固体火箭发动机水下燃气射流流场的复杂多相流问题.采用多相流MIXTURE模型,考虑了流体的可压缩性、粘性、重力作用、气水掺混效应和能量交换等各项因素.选取标准k-ε湍流模式,运用有限体积法对轴对称湍流射流流场进行数值模拟.通过对无来流情况下湍流射流模拟,发现了燃气射流的颈缩、断裂和回击现象,并通过分析解释了产生这一现象的原因.计算了有来流情况下的射流流场,发现有来流情况下燃气射流没有断裂和回击现象.     

中心进气旋转射流冲压燃烧室湍流流动数值模拟

采用Reynolds应力方程模型及涡耗散燃烧模型,对头部进气式固体火箭冲压发动机二次燃烧二维轴对称反应流场进行了数值模拟,研究了空气射流和燃气射流无旋、同向旋转和反向旋转3种进气方式对二次燃烧的影响。研究结果表明,当空气射流和燃气射流以有旋状态进入补燃室时,燃料与空气的混合速度变快,化学反应更快,燃烧也更为充分。     

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。     

大水深火箭发动机尾流场数值模拟

针对火箭发动机在深水环境下工作的燃气射流特性,采用VOF(Volume of Fluids)方法建立了二维轴对称两相数值计算模型,对深水长尾喷管火箭发动机点火初期的过程进行了数值模拟。模拟了长尾喷管喷管燃气射流的气泡的形成、发展及断裂过程,获得了气液两相流场中压强、马赫数、温度等参数的变化规律。计算结果表明,长尾喷管出口出现周期性的压力脉动,气液相互作用过程中形成含涡结构的边界层。水深越大时,环境压力越大,长尾喷管出口的压力、速度波动越大,射流稳定后长尾喷管轴线上的压力、速度保持不变。研究结果可为深水火箭发动机的设计提供参考。     

固体火箭发动机水下燃气泡计算

采用二维非定常气流场模型和VOF(Volume of Fluids)模型,对水下固体火箭发动机点火初期这一非稳态过程进行了气水耦合数值求解.模拟了燃气泡的形成、发展及断裂过程,揭示了燃气泡中压强、马赫数等参数的变化规律,得到了高速射流点火初期的流场变化特征,模拟中捕捉到了喷管出口处的压力脉动和燃气泡的"颈缩"现象,并对引起压力脉动的相关因素进行了讨论.模拟结果表明,燃气泡的发展变化过程会对喷管扩张段产生影响,这是水下高速射流的重要特征之一.上述研究可为水下发射固体火箭发动机设计提供参考.     

发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

针对火箭发动机尾焰注水流场,组织并实施了火箭发动机系留点火及燃气流场注水降温缩比试验,研究了燃气冲击射流流场和注水作用下两相流场的分布状态以及降温效果。并通过研究在高温高速对流冲击作用下气液两相流的传热和传质理论,在Mixture多相流模型的基础上添加质量和能量源项,建立了多组分气液两相流非定常数值计算模型,通过对比试验结论,结果表明：所建立的数值计算模型具有较高的计算精度和可靠性,能够准确地反映物理现象。利用数值计算模型研究了注水后燃气、液态水和水蒸气三种主要组分在流场中的组成,通过与自由射流对比得到了注水燃气流场的包络线长度与宽度变化,注水对燃气流场降温效果显著。     

基于整体级概念的多级固体运载火箭设计与优化

针对多级固体运载火箭小型化需求,采用整体级概念(ISC)进行总体方案改造和优化设计.描述了2种ISC概念的特点,以某三级常规方案固体运载火箭为基准,通过利用级间的剩余空间,完成ISC方案改造.建立了运载火箭的整体级发动机动力计算模型、气动计算模型和弹道计算模型,并结合任务指标要求,提出了运载火箭的总体参数优化模型.在相同的任务条件下,完成了常规方案和2种ISC方案的优化.结果表明,引入ISC概念可将运载火箭体积缩小15%～20%,起飞总重缩小1%～1.5%,满足了总体指标要求,达到了运载火箭小型化设计目的.     

我国大推力补燃氢氧发动机研究进展

氢氧火箭发动机因具有很高的性能,在国内外运载火箭中得到了广泛应用。为了更好地开展深空探测,必须研制大推力氢氧火箭发动机。本文综合分析了国内外氢氧发动机的发展历史和现状,简要介绍了我国220 t补燃循环氢氧发动机方案和关键技术研制进展,该技术方案先进。通过开展试验件冷态试验和缩尺组件热试验等,研究了核心部组件的关键技术和方案选型。开展全尺寸预燃室热试验等分系统热试验,研究组件级技术,初步突破了部分关键技术。建议加快开展大推力氢氧发动机工程研制,促进我国航天推进技术发展。     

火箭发射中的紧急关机研究

火箭发射在点火过程中发生故障时通常采用紧急关机来保证发射安全，其中最常用的是定时紧急关机。本文从发射安全入手，在研究发动机组成原理、点火关机方式、故障模式的基础上，通过计算，指出定时紧急关机存在缺少对点火过程的实时监控，当出现不对称点火故障时不能及时关机的隐患。在此基础上提出了通过对火箭点火过程的实时监控和故障判别，发生故障后适时关机的解决思路。     

水平空中发射固体有翼运载火箭总体/动力/气动/轨道一体化设计与优化

综合考虑固体火箭发动机设计、带翼火箭气动外形设计、轨道设计和总体特性相互作用相互影响的情况下,建立了水平空中发射固体有翼运载火箭总体／动力／气动／轨道一体化设计优化模型和系统分析模型。测试了系统分析软件,应用基于方向的遗传算法优选了某水平空中发射固体有翼运载火箭28个设计参数。结果表明,计算结果与工程实际结果吻合较好,优化设计效果明显,优化所得火箭起飞质量是原方案的84．32％。     

一种通用型箭载数据采集传输设备的设计与实现

本文结合国内外运载型号的发展趋势，梳理现役火箭遥测系统的应用需求，实现了一种基于VPX（新一代高速串行总线标准）总线架构的通用型箭载数据采集传输设备设计方案，对其关键技术如结构标准化技术、总线通用化技术、模块化技术等进行了重点分析。该方案对箭上设备的系统架构状态进行统一，大幅度提升设备的性能、集成度和通用性，满足型号未来应用需求，在航天领域具有广阔的发展前景。本文最后给出了该通用型箭载数据采集传输设备相比现役产品的优势。     

火箭弹概念设计的多学科优化设计方法

为了在火箭弹概念设计阶段就可综合考虑质量、气动、动力及弹道等诸多学科的影响和耦合作用,引入了多学科优化设计方法。对该方法应用中的问题定义、基本流程、总体方案作了详细说明,对涉及的一些难点和关键点进行了分析,并给出了可行的解决方案。通过算例验证了该方法的可行性和有效性,与原型弹相比,单级推力方案的有效载荷比更高、最大马赫数更小、发动机工作时间更短;在射程基本不变的情况下,双级推力方案比单级推力方案的最大马赫数更小、火箭弹总的飞行时间更短,有效载荷比大幅降低。最后,讨论了包括密集度问题在内的进一步研究方向。     

大推力液体火箭发动机研究

大推力火箭发动机是航天发展的基础,是国家高科技水平和综合国力的体现。分析了运载火箭主动力发展的现状和趋势,指出大推力液氧煤油发动机和液氧液氢发动机是发展方向和最佳组合。提出了我国重型运载火箭大推力液氧煤油发动机和液氧液氢发动机的总体方案和主要参数,研究了两种发动机的关键技术及其解决途径。这两种大推力发动机的研制,将为我国载人登月、深空探测等重大航天活动和空间利用提供动力支撑。     

中国重型运载火箭动力系统研究

分析了未来航天发展趋势,指出为实现载人登月和深空探测,发展重型运载火箭,研制大推力火箭发动机势在必行.提出了中国重型运载火箭主动力--_1500吨级液氧煤油发动机和200吨级液氧液氢发动机的总体方案,确定了发动机的主要参数,明确了发动机的关键技术,考虑了发动机的研制条件,进行了发动机研制策划.根据中国的技术水平和经济实...     

LOX/LCH_4变推力发动机技术初步研究

对国内外变推力发动机和LOX/LCH4发动机的研究进展进行了总结,在此基础上,提出了一种LOX/LCH4变推力发动机系统方案。在深入分析的基础上,对此方案进行了功率平衡和推力室传热计算,结果表明该系统方案完全能够实现10:1推力变比。LOX/LCH4变推力发动机可以广泛应用于多种运载器和航天器中,对我国探月及后续的载人登月工程均可以提供技术支持,对LOX/LCH4发动机的技术发展和未来的载人登陆火星等任务都具有深远影响。     

固液混合火箭发动机燃烧室和喷管流动数值模拟

固液混合火箭发动机是采用液体作为氧化剂,固体作为燃料的一种典型的混合火箭发动机.固液混合火箭发动机中的燃烧和流动问题是固液混合火箭发动机设计中的关键问题,对固液混合火箭发动机的燃烧室和喷管进行一体化计算很有必要.利用二维轴对称N-S方程和组分方程对选用液氧/端羟基聚丁二烯推进剂的固液混合火箭发动机的燃烧室和喷管进行了一体化计算.计算采用LU时间隐式格式、MUSCL空间离散和Van Leer矢通量分裂方法,采用有限速率化学反应模型,对化学源相进行了点隐式处理.计算中分别采用了一步化学反应模型和两步化学反应模型方案,计算了多个氧化剂流速和燃烧室压强下的燃烧室和喷管流场分布,对化学模型进行了选择,为固液混合火箭发动机的设计提供了依据.