比冲损失的分析和实验测定(综述)

发动机实际比冲的预计,是一个急待解决的问题。对比冲效率影响最大的因素来自两个方面。一方面来自推进剂;其中铝粉的燃烧效率,以及燃烧生成的Al_2O_3粒子对比冲有很大影响。另一方面来自喷管结构,其几何形状及壁面附面层状态也对比冲有很大影响。美国Hercules 公司和Thiokol 公司拟制了一套比冲损失的分析计算方法,考虑了除铝粉燃烧效率以外的几项主要损失。其中尤以两相流的损失和扩散损失为最大。对于推进剂含铝量在18～19%以下,工作压力不太低、燃气停留时间在20毫秒以上的发动机,这一方法是适用的。理论比冲预计值与实测值相差约为0.6%对于含铝量较大的推进剂或燃气停留时间较短的发动机,铝粉燃烧效率可能成为影响比冲效率的重要因素。对于多级火箭的顶级发动机往往需要考虑这一问题。但是目前关于铝粉在发动机流场中燃烧的规律性还认识不足,理论研究工作还不能提供有力的设计准则,需要做进一步的工作。本文综合介绍了有关的几篇国外资料,供有关人员参考。     

少烟HTPB／RDX／AP／AL推进剂能量性能研究

对少烟HTPB／RDX／AP／AL推进剂能量性能进行了理论计算，通过BSFΦ165和BSFΦ315试验发动机试验，考察了试验发动机类型，工作压力对比冲效率的影响，与高能丁羟推进剂的比冲效率进行了比较。     

固体推进剂火箭发动机喷管形状最佳化

喷管形状结构对固体推进剂火箭发动机效率和性能会产生影响,这篇文章对这种影响提供了理论分析判断方法。这个理论方法利用比冲(Isp)确定发生在发动机中的流动和热损失。在分析中考虑了由于扩散、摩擦、热、粒子滞后,烧蚀和化学不平衡引起的损失。本文用抛物线、园弧和特征流线方法(MOC)构成喷管形状,对发动机性能进行比较。这些形状的差别是用最佳初始膨胀角和最佳折回角(初始角与出口角之差)来表示,在喷管形状参数(长度和直径)同定的情况下,研究了典型的低空和高空的发动机。这些计算的结果对喷管形状设计给出了有益的理解。研究指出: 第一:最佳初始膨胀角和最佳折回角随型面类型而变化。第二:对于抛物线型、园弧型和特征流线型的喷管,固定形状参数可以得到的最大比冲基本上是相同的。第三:如果喷管不是最佳形状,就出现明显的性能损失。第四:这个理论比冲预测方法能有效地运用到固体推进剂火箭发动机喷管形状设计中去。     

固体推进剂火箭发动机的推力损失预测

本文介绍了关于固体推进剂火箭发动机比冲测定的一种综合分析方法。它是基于流体力学的基本原理,因而不受以前的发动机试车测试数据的限制。这个方法包括从一个标准的自由能量方程计算理论比冲Ⅰsp 和减去由于(1)二相流(凝聚相的滞后),(2)喷管扩散,(3)表面摩擦,(4)热传导,(5)化学不平衡,及(6)喉部烧蚀引起的损失。现有的既有效又易利用的计算机程序可以用于准确地确定这些推力损失。为了确认这个方法的可靠性,实测的和计算的Ⅰsp 之间进行了广泛的比较。试验的比冲数据是从一系列的吹风试验,和用含金属粉与不含金属粉的推进剂的38发缩比尺寸的点火试验及从三叉戟,海神,民兵和宇航发动机的16发全尺寸的发动机得出的。在所有的发动机中比冲的预测值和试验值相差都在0.6%之内,这说明那方法对于预测性能利用子固体推进剂火箭发动机设计和分析中是很准确的。     

固体推进剂火箭发动机的性能予示和高膨胀比喷管的应用

提出了予示固体推进剂火箭发动机的比冲和特性速度的分析方法。这个方法强调了二维两相流分析,它是以准确的跨音速解为基础,并且给出金属含量高的推进剂的大部分性能损失。它应用于可忽略燃烧损失和出口锥上无粒子撞击的发动机。以一系列的缩比发动机、全尺寸发动机和5台装有高膨胀比喷管的远地点发动机实验结果为背景,评价了它的有效性。膨胀比在很宽的范围内(从9到92)在予示值和实验结果之间完全一致。从本研究得出结论,提出的这个方法是性能予示的一个很准确工具,并且对高膨胀比喷管的气动力设计和分析很有用,这样的喷管对期待中的未来应用是特别有意义的。     

比热比对推进剂标准比冲与发动机真空比冲影响趋势分析

在固体火箭发动机择优比测中,推进剂比冲与发动机真空比冲是发动机择优的关键指标。在标准比冲修正和真空比冲计算中,比热比是影响标准比冲和真空比冲计算的重要参数。分析了不同燃烧室室压和环境压强下,BSF?315 mm标准发动机固体推进剂修正标准比冲随比热比的变化,以及地面试车成功后,比热比对真空比冲计算的影响。结果表明,推进剂实测比冲修正到标准比冲时,在不同燃烧室平均室压下修正标准比冲,存在一个比热比值,使得推进剂修正标准比冲计算存在极小值,当比热比大于该极小值后,随着比热比的增加,修正标准比冲增大。研究结果和所得结论对同一单位推进剂配方选型,以及不同单位推进剂、发动机实物比测,具有指导与借鉴意义。     

固体火箭发动机飞行比冲的再现

飞行时的发动机平均比冲通过以加速度为基础的再现火箭速度来计算,推导比冲公式使用的模型中,考虑了推进剂和惰性物质的排放量、理想飞行速度方程及计算的速度损失。但是,一些固体火箭发动机出现了尚不明了的地面与飞行间的比冲损失。求大力神—4固体助推器比冲的经验表明:燃烧过程中比冲的变化可以计算这部分损失。推导了变化比冲的理想速度方程并加以讨论,指出比冲变化的原因。     

含硼贫氧推进剂固体燃料冲压发动机性能计算

固体燃料冲压发动机所用推进剂为贫氧推进剂，故其热力计算与普通固体火箭发动机不同，但也有相似的地方。简述了固体燃料冲压发动机基于布林克莱法的热力计算原理，并以含硼贫氧推进剂为便，对固体燃料冲压发动机进行了不同情况的热力、流动和性能计算。得出了发动机比冲与推进剂中硼粒子含量、飞行高度及飞行马赫数之间的定性关系。     

固体火箭发动机喷管型面最佳化技术的研究

本文分析了喷管型面结构对固体推进剂火箭发动机性能和效率的影响。本研究使用三种分析方法,它们是:赫克力斯的Ⅰ_(SP)法(HIMET),固体性能程序(SPP)和普度大学 Jo-seph Hoffman 博士的直接寻求法。这些分析方法确定发动机中的流动和热损失,并以比冲(I_(SP))损失表示。在本分析中,分别考虑了扩散、摩擦、热、粒子滞后、侵蚀和化学不平衡等方面带来的损失。对采用抛物线、园弧线和特征线的喷管型面的发动机进行了性能比较。在固定喷管外轮廓(长和直径)不变的条件下研究了典型的低空和高空工作的发动机。这些计算结果对喷管型面设计有了有益的深入理解。本研究指出:第一,最佳起始扩散角随所采用的喷管型面和分析方法而变;第二,对于给定的喷管外轮廓,不论是抛物线型面、园弧线型面还是特征线型面,所获得的最大比冲基本上是相同的;第三,如果喷管型面不是最佳,就会出现明显的性能损失;第四,分析的Ⅰ(SP)预示方法能有效地用于固体推进剂火箭发动机的喷管型面设计;第五,可延伸出口锥能改进主喷管的性能。     

HTPB／HMX推进剂能量持性与工作压强关系的研究

采用标准试验发动机实测结果及理论计算，研究了ＨＴＰＢ／ＨＭＸ推进剂比冲与发动机工作压强之间的关系，研究结果表明，在发动机相同的工作条件下，工作压强由５ＭＰａ提高到１０ＭＰａ可使推进剂比冲净增１０２Ｎ．ｓ／ｋｇ发动机工作压强最好选取大于６ＭＰａ。这一结果为发动机设计提供了参考依据。     

带缝隙喷注的火箭发动机喷管性能

本文介绍了在喷管超音速段有气体沿切向缝隙喷注的火箭发动机喷管流场计算方法,同时还提供了无喷注的喷管流场计算。计算结果与试验数据相符,证明该计算方法有效。文中对发生器气体喷入实际发动机超音速段的喷管流场进行了分析,分析中假设使用了两类推进剂:氧/氢、氧/甲烷,以氧/氢和氧/甲烷的燃烧产物作为发生器气体。数值计算结果表明,在喷管超音速段有气体喷注的情况下,由于粘性引起的真空比冲损失比没有喷注的喷管损失小。     

HTPB／HMX推进剂能量特性与工作压强关系的研究

采用标准试验发动机实测结果及理论计算，研究了ＨＴＰＢ／ＨＭＸ推进剂比冲与发动机工作压强之间的关系．研究结果表明，在发动机相同的工作条件下，工作压强由５ＭＰａ提高到１０ＭＰａ可使推进齐比冲净增１０２Ｎ．ｓ／ｋｇ，发动机工作压强最好选取大于６ＭＰａ。这一结果为发动机设计提供了参考依据。     

含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)推进剂能量特性计算研究

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pc/po=70:1)下,计算了含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)的各类推进剂的能量特性.发现TNAZ单元推进刺的理论比冲为2 700.2 N·s/kg,与DNTF单元推进剂接近;用TNAZ取代丁羟复合固体推进剂中的AP,比冲可提高37.9 N·s/kg;用TNAz取代NEPE推进剂中的AP,推进剂最大理论比冲可达2 671.1 N·s/kg;NC/NG/TNAZ组成的无烟改性双基推进剂比冲可达2 573.6 N·s/kg;由GAP/TNAZ/BDX组成的无烟推进剂,在很宽的范围内都可得到2 600 N·s/kg以上较高的理论比冲值.研究结果表明,TNAZ在高能推进剂尤其在高能无烟推进剂中有着广阔的应用前景.     

含铝锂合金丁羟推进剂的能量性能研究

依据最小自由能原理，采用固体推进剂能量特性计算程序计算了标准条件下含铝锂(Al-Li)合金丁羟(HTPB)推进剂的能量性能，研究了不同Li含量的Al-Li合金粉对HTPB推进剂比冲、密度、密度比冲及特征速度的影响；并采用爆热、爆热残渣粒度分布以及活性铝含量验证了Al-2.5Li(Li质量含量为2.5%)合金粉对HTPB推进剂能量特性的影响。理论计算结果表明，采用纯Li取代Al粉，HTPB推进剂的标准理论比冲最大可增加58.11 N·s/kg;当以Al-Li合金的形式取代Al粉时，不同Li含量的Al-Li合金对HTPB推进剂配方的能量性能参数影响不同，标准理论比冲以及特征速度呈现增加的趋势，密度以及密度比冲呈现降低的趋势；当以Al-20Li合金替代Al粉时，HTPB推进剂配方的标准理论比冲最大可提高39.10 N·s/kg。爆热试验结果表明，含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂的爆热略高于Al粉配方，燃烧残渣粒度d₄₃低于对照配方；含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂燃烧残渣活性铝含量低于对照配方。     

固体火箭发动机性能予示

一、前言利用已有的理论、经验和半经验公式,对初步设计的发动机进行性能予示,即对压力—时间曲线,推力—时间曲线和比冲,总冲等数据进行予算是非常需要的。资料在过去研究的础基上,进一步发展了予示方法和计算机程序,并得出予示的比冲在±2%,推力和总冲在±5%精度范围内的结果。本文基于介绍的基本方法并参考有关资料,叙述对固体发动机适用的性能予示方法。     

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。     

基于热力计算的固体火箭冲压发动机理论性能研究

研究了固体火箭冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算程序对含铝镁和含硼贫氧推进刺进行了计算,分析了在设计点处补燃室温度、冻结流比冲、平衡流比冲随空燃比变化的趋势,以及比冲随补燃室压强变化的趋势.计算结果表明,冻结流比冲低于平衡流比冲;在合理空燃比区内,选取空燃比作为设计值,有利于提高发动机性能;提高补燃室压强和选用高能推进剂都能有效提高比冲,但补燃室压强的提高受进气道设计的制约.     

高能推进剂主要组分对燃烧效率影响研究

利用燃烧残渣中活性铝含量分析、真空爆热特性和发动机试验手段，研究了高能推进剂中主要组分对推进剂燃烧效率的影响。实验结果表明，增塑剂的种类和含量是影响燃烧效率的主要因素，ＡＰ含量及固体组分的粒度级配也有明显的影响。ＢＳＦХ７５发动机试车结果表明，铝粉粒度级配的改变，可以使高能推进剂比冲效率由０．８８提高到０．９２。     

固体火箭发动机的比冲预示

固体火箭发动机的实际比冲预示已有许多计算方法.然而对空—空导弹这类小型发动机,用这些计算方法,均不能准确地预示其发动机的实际比冲。本文在收集国内外大量发动机试验数据的基础上,编制了计算程序,得到发动机实际比冲计算的通用公式。用该式预示的发动机比冲与其试验比冲相比较表明,准确度较高,相对误差在3％以内,可用于固体火箭发动机,尤其适合于空—空导弹小型发动机的实际比冲预示。     

固冲发动机设计点性能迭代计算(英文)

固冲发动机热力学性能参数计算是发动机性能计算的重要部分,通常是针对特定的推进剂建立热力学数据表格,然后通过插值取得相应参数。通过对NASA CEA程序进行二次开发,使其成为便于应用的子程序,并以补燃室热力计算为基础,通过给定推进剂配方、进气道总压恢复系数、补燃室燃烧效率、比冲效率等设计参数,建立了满足总体推力要求的固冲发动机设计点性能迭代计算方法,为固冲发动机方案设计提供了一种实用工具。