液体火箭发动机喷管仿真模型

基于量热完全气体、组分冻结的热完全气体、化学非平衡气体模型建立了喷管性能仿真物理模型,采用三阶精度的WENO格式进行了不同气体模型的喷管流场计算。根据流场计算分析了四氧化二氮/甲基肼发动机和液氧/煤油发动机喷管的性能,并针对液氧/煤油发动机分析了室压和不同喷管扩张段型面对性能的影响。结果 表明,采用量热完全气体模型所计...     

用于阿里安5改进型的火神MK2发动机

火神MK2发动机是火神发动机的改进型,将作为2002年以后发射的阿里安5改进型运载器的动力。它沿用了火神发动机的基本设计思想:低发射费用、较高的可靠性和安全性。发动机推力的增加主要是通过增加发动机的液氧质量流量而获得。改进只局限于下面几部分: 重新设计液氧涡轮泵、推力室和喷管延伸段; 燃气发生器及支架作较小的适应性修改; 其余的分系统将保持不变(如燃料涡轮泵组件、别的元组件等),而且所有的分系统间的接口尺寸同火神发动机保持一致。方案试验期间,在带有先进喷管延伸段试验件的发动机上进行的试验研究取得了很成功的例证。阿里安5E将在欧洲航天局(ESA)的领导下进行研究。法国国家航天研究中心(NECS)已给出了该项研究的经费预算和需解决的技术项目表。本文主要介绍了火神MK2发动机截止1995年4月在欧洲航天局的领导下进行的发动机预研情况。     

液体火箭发动机复合材料喷管延伸段研究进展

喷管延伸段是液体火箭发动机的重要零部件,直接关系到发动机真空比冲性能的高低和其重量特性指标的优劣。近些年来,由于复合材料具有耐热、抗热震性能好、抗疲劳性能好、耐氧化腐蚀以及密度低等优点,复合材料在液体火箭发动机喷管延伸段上得到了越来越广泛的应用。仅在2018年下半年,国内就先后有高室压10 kN复合材料发动机完成某导弹武器飞行和5 000 N复合材料喷管延伸段发动机完成远征三号上面级飞行。通过查阅国内外文献,系统总结了国内外液体火箭发动机用复合材料喷管延伸段的研究及应用现状,综述了复合材料喷管延伸段预制体的一维缠绕成型、三维编织成型以及三维针刺成型技术及其气相法和液相法复合致密化技术,分析了国内的主要差距并提出了发展建议。     

上面级发动机推力室喷管延伸段气膜冷却研究

上面级发动机采用四氧化二氮/偏二甲肼为推进剂,将涡轮排气引入推力室喷管气膜冷却喷管延伸段.仿真计算和热试车表明：推力室主燃气与涡轮排气压力在同一截面处相等,涡轮排气沿喷管延伸段壁面流动形成紧贴喷管壁面的气膜,对主燃气无扰动,对喷管延伸段起到冷却保护作用.推力室喷管延伸段传热计算值和热试车延伸段温度测量值吻合,排气集合器内压力基本均匀,满足工程应用需要.     

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。     

主喷管倾角影响塞式喷管性能的实验研究

为分析主喷管角度对塞式喷管性能的影响,对两种塞式喷管实验发动机进行了热试和冷流试验。试验结果表明,主喷管倾角对发动机喷管效率、底部压强与燃烧室压强之比的影响明显,且存在一个性能最优的最佳倾角。热试和冷流实验发动机主喷管倾角为20°时,喷管效率最高。     

轻质钛合金喷管在氢氧发动机上的应用研究

为降低发动机质量,提高其推重比,将轻质高温钛合金TA15用于液氢液氧发动机推力室喷管,模拟了全尺寸再生冷却钛合金喷管的工作特性,设计了TA15钛合金铣槽式再生冷却缩尺喷管,采用扩散焊工艺生产了缩尺喷管试验件,成功进行了热试验.试验结果表明钛合金氢再生冷却缩尺喷管在高温富氢燃气环境下能够短时间安全稳定工作,传热可靠,最高气壁温达1 017 K,冷却通道流阻及氢温升实测值与计算结果基本一致.最后简要介绍了钛合金的氢脆特性.     

采用液体喷射实现固体发动机主动冷却的探索研究

为寻找固体发动机热防护的新途径,开展了固体发动机液体喷射主动冷却的探索性研究。组建了1套固体发动机液体喷射主动冷却试验系统,开展了原理试验。水作为冷却工质,沿收敛段壁面喷射,试验中对内壁面和外壁面处的温度进行了测量。试验结果表明,冷却工质的引入大大降低了发动机收敛段内壁面的温度,但会造成一定比冲损失;冷却工质参与做功,发动机推力有所增加。建立了液体冷却固体发动机的性能计算模型,并用试验结果进行了校验;根据试验得到了冷却效能估计经验公式。     

低喷吹比条件下发汗冷却对喷管传热和性能的影响

本文分析了发汗冷却对喷管中边界层变化、传热和性能的影响。试验采用了马赫数为2的型面喷管(Re/m=5.2×10~7),喷管采用不锈钢烧结材料(孔径为2.0μm)。试验中最大喷吹比为自由流流量的0.51%,压力和热通量测量响应很快。测量了壁面热通量和静压分布,以及喷管出口处的皮托压力型面。为了更直观地看到流动情况,还采用了阴影照相。最高喷吹比时传热减少14%,发现喷管出口边界层厚度显著增加,但喷吹对推力系数或比冲的影响很小。本文研究对发动机喷管采用发汗冷却优、缺点的认识具有一定价值。     

固体发动机飞行性能分析与重构

在固体发动机研制过程中,发现利用飞行遥测参数计算的某末级发动机性能结果与基于地面试验的内弹道模型得到的结果存在偏差,这一偏差会影响发动机性能评定乃至火箭射程。对国内外固体火箭发动机飞行性能分析和重构方法及主要的结果进行了分析,对于特定的发动机需固化一种飞行性能重构分析方法,为提高发动机性能重构分析的精度,需要提高发动机喷管喉径烧蚀规律的预示水平,同时需要考虑飞行过程中消极质量变化以及沉积对发动机比冲的影响。最后,对发动机飞行性能分析重构后续需要着重开展的研究提出了建议。     

斜切喷管性能模型验证

本文介绍了斜切喷管性能预示模型的适用范围。影响模型适用范围的因素是三维流压强和(或)边界层的分离.使用专用设计的固体火箭发动机,进行了多种斜切喷管结构静态点火试验。由试验结果确定了性能模型的适用范围.     

远征三号上面级轨控发动机研制及在轨验证

综述了国内外上面级及其轨控发动机技术发展情况。基于远征三号上面级的任务特点,提出了5 000 N轨控发动机技术方案,着重介绍了5 000 N发动机的地面试验和首次飞行应用情况,总结了远征三号上面级轨控发动机研制经验,供类似火箭发动机研制参考。远征三号上面级5 000 N发动机采用挤压式推进剂供应系统、直流式喷注器、再生冷却方案和复合材料喷管延伸段,具有结构简单、多次启动能力强、双向摇摆角度大等优势,于2018年12月29日进行了首次飞行应用。     

液体火箭发动机辐射冷却身部材料研究进展

辐射冷却是上面级和空间液体火箭发动机推力室身部最常用的冷却形式,近年来在部分大推力、高性能二级火箭发动机喷管中也得到了应用。辐射冷却身部材料的耐高温性能和密度,直接影响液体火箭发动机的比冲、推重比和可靠性。通过查阅国内外文献,综述了钛合金、高温合金、难熔金属和碳纤维复合材料等材料在国内外液体火箭发动机辐射冷却身部中研究和应用情况,结合液体火箭发动机推力室身部燃烧室段和喷管段服役工况,对不同材料特点进行了分析。研究对标未来高性能、高可靠和低成本液体火箭发动机的发展需求,并对近年来发展起来的铱/铼/碳-碳复合材料、低密度铌合金和3D打印难熔合金进行了概述。     

螺栓挤压推力终止系统验证试验

本文总结了螺栓挤压推力终止系统(BETTS)的设计、研制和验证试验。该系统在阿诺德工程研制中心(AEDC)进行了多次冷试,一次海平面热试和两次高空点火推力终止试验,试验所用的发动机是政府向化学系统分公司提供的“民兵”发动机空壳体装药后制成的。通过大发动机热试,证明本计划所验证的这种BETTS可以消除前部碎片,大大地简化药柱和发动机壳体的设计,提高末级性能。另外,这种方法设计简单,从而可以降低推进系统的成本。BETTS用爆炸螺栓和挤压螺栓的组合代替连接喷管法兰和发动机壳体法兰的普通螺栓。接到指令后,爆炸螺栓立即打开,喷管循着挤压螺栓向后平移,发动机气体迅速排出,从而使推进剂熄火。挤压螺栓控制着喷管的移动速度和最大运动行程。以前根据NO.F04611—75—C—0044合同(CSD计划2549)曾成功地在缩比发动机上进行了BETTS热试和在飞行重量的“民兵”Ⅲ第三级发动机上进行了冷试。     

塞式喷管发动机的性能预示

采用理论分析的方法并结合塞式喷管的结构特点，建立塞式喷管壁面的的压力分布模型，对全长型、截短型以及考虑底部推力、底部二次流等情况下的塞式喷管发动机进行了性能预示，并同试验结果进行了对比分析。分析结果表明，塞式喷管发动机的性能预示结果同试验结果吻合较好，验证了预示模型的可行性，但是在某些工作压比下，预测值与试验值之间还有一定程度的差异，塞式喷管发动机的性能预示模型还有待进一步的完善。     

一种大面积比喷管的分段式设计与数值分析

为了满足大推力上面级发动机大面积比喷管的设计需求,采用了排放冷却前段和单壁辐射冷却尾段的分段式设计方案。在排放冷却前段传热计算的基础上,通过对内流场进行数值模拟,重点研究了单壁尾段在引入上游排放冷却气氢情况下的冷却特性和喷管效率。结果表明:对于大面积比喷管,采用带二次流的单壁金属喷管延伸段是现实可行的,有望达到较好的冷却保护效果并提高喷管效率。     

喷管扩张段绝热层的烧蚀计算

固体火箭发动机喷管的烧蚀预示是喷管结构分析的重要一环，本文用有限元法计算了喷管扩张段绝热层的烧蚀，计算中了对流换热１、材料热解及烧蚀吸热。计算结果与发动机热试车解决结果相近。     

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。     

液氧/液氢高压膨胀循环发动机初步试验

膨胀循环具有很好的性能和很高的可靠性,这一点已由普拉特·惠特尼公司的“半人马座”上面级推进系统RL10发动机证实,但是这种循环对燃烧室压力增加和推力增加都有限制作用,因为它仅仅利用了燃料在冷却燃烧室和喷管延伸段时吸收的热能,来推进燃料和氧化剂涡轮泵.建议采用具有内部热交换器的先进方案燃烧室,这种热交换器可以收集许多燃烧热量.叙述使用内部热交换器的高压膨胀循环发动机的主要性能,并给出了这种发动机的初步试验结果.热交换器中的平均热通量是Bartz相关计算值的70%.燃烧性能不会因装了内部热交换器而受到严重影响.     

固体发动机喷管延伸锥展开前级间分离的热环境分析

通过FLUENT流场计算软件,采用RNGK k-ε湍流模型,针对带有延伸喷管的多级固体发动机级间热分离的热环境进行了数值分析。研究表明,延伸喷管尾流受到连接筒、前封头、延伸段的阻碍后,其流动特征变化显著,尤其在一级前封头的影响下形成回流,并在喷管内形成激波。计算得到的热环境参数,对发动机的热防护设计具有一定的参考价值。