固体火箭喷焰对雷达测量信息的影响

从某系列四发固体火箭成功发射时的雷达跟踪测量数据发现：二级发动机关机前约３０秒存在测量数据随机误差由偏大、超差、直到严重超差的现象。本文给出了多种数据,并据此认为：其原因是各种射频信号通过具有高温弱等离子体的火箭喷焰区时,引起了衰减、相移和调幅调相噪声,给外弹道的无线电测量带来误差,且信号穿过喷焰区的路径越长,影响越大。     

火箭发动机出口参数对喷焰流动及辐射的影响

基于详细化学反应机理+逐线积分法+视在光线法开展了火箭发动机喷焰流动与辐射特性研究,分析了不同化学反应机理对流动与辐射的影响,利用地面试验数据校验了模型的正确性,并详细分析了火箭发动机出口参数变化对喷焰流动及辐射的影响规律。研究结果表明:喷管出口温度增加,对流场结构影响较小,但会显著提升喷焰的复燃效应;喷管出口压强增加,会对流场马赫波系结构产生影响,但对喷焰二次燃烧影响较小;喷焰红外辐射强度会随着出口温度或出口压强的升高而增加,且红外辐射强度与出口推力正相关。      

飞行高度对固体火箭两相喷焰流动与辐射的影响

固体火箭发动机喷焰的辐射特性对火箭目标探测与跟踪识别具有重要工程意义。本文针对某模型固体火箭发动机,基于欧拉离散相模型描述气-固两相相互作用,采用详细化学反应机理计算喷焰复燃效应,基于逐线积分法+米散射理论求解气体及粒子辐射物性参数,通过视在光线法计算辐射传输,并利用测量数据验证了本文模型的适用性,仿真分析了不同飞行高度对气固两相喷焰流动及辐射特性的影响。研究结果表明：随着飞行高度增加,喷焰中燃气与固体颗粒间相互作用减弱,且粒径越大的粒子与燃气间差异越大;两相喷焰受不同飞行高度上掺混与复燃效应程度差异的影响,致其温度分布和不同组分浓度分布存在显著差异;各高度下两相喷焰光谱辐射呈现气体选择性发射谱结构,其中高温Al2O3对辐射贡献主要集中在短波,且高度越高,影响越小;不同谱带间辐射特性受不同组分发射带影响而存在差异,且2.7μm和4.3μm两个主要发射带的辐射峰值出现在不同飞行高度。     

固液混合火箭发动机喷焰红外辐射特性分析

为了研究固液混合火箭发动机喷焰在不同飞行状态的红外辐射特性,建立了固液两相状态下喷焰的红外辐射计算模型,获得了喷焰在2~12μm波段的红外辐射.将喷焰的温度、压力、摩尔组分等作为输入条件,米氏散射(Mie)模型计算颗粒相的散射,采用有限体积法(FVM)离散辐射传递方程,利用中分辨率大气辐射传输(MODTRAN)模型计算不同观测距离的大气透过率,编程计算得到不同飞行高度,不同观测方向下喷焰的红外辐射.结果表明喷焰红外辐射亮度与温度分布类似,在2.7~3.0μm和4.2~4.5μm波段范围内的辐射较强,高温粒子在近红外比远红外对总辐射的贡献大,太空与地面观测不同飞行高度的发动机喷焰辐射率因大气衰减的不同而有所差异,可为目标跟踪与发动机设计提供参考.      

二维火箭喷焰流场的化学组份和电磁特性计算

提出了一种能计算二维火箭喷焰流场化学组份和电磁特性分布的计算模型和方法,并编制了相应的计算机程序。该程序能较真实地反映喷焰流场中发生的实际化学反应和电磁波衰减效应,适用于接近完全膨胀的少烟或无烟推进剂火箭喷焰参数的计算。计算结果表明,不考虑化学反应,将对流场内参量,特别是化学参量和电磁参量的计算结果产生很大误差。     

数值模拟喷焰2.7微米红外辐射特性

以固体火箭发动机尾喷焰的红外探测为主要应用背景,利用反向蒙特卡罗法和有限体积法计算了火箭尾喷焰红外辐射特性,获得了尾喷焰在探测波长为2.7μm下的红外辐射的空间、光谱分布特性,两种方法的计算结果也非常接近,具有重要的理论意义和实际应用背景。     

通过固体推进剂火焰的激光信号衰减研究

本文讨论波长为 1.0 6 μm的 YAG激光束通过固体推进剂火焰时引起的信号衰减。对固体推进剂药条上方的燃烧火焰和发动机喷出的高速羽焰进行了实验测量。结果表明,YAG激光束在穿越推剂火焰后会引起信号衰减;不同的推进剂引起的衰减量有很大不同;推进剂中铝粉的含量是造成近场羽焰激光信号衰减的主要因素。      

液体火箭发动机典型实验室及典型实验概述

在大量文献研究的基础上,概括介绍了目前液体火箭发动机方面的典型实验室和典型实验及几种用于液体火箭发动机喷雾、燃烧和流动测量的先进仪器。为开展新一代液体火箭发动机的实验研究和设计提供参考。     

液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击效应

为研究液体火箭发动机尾焰对发射平台的冲击效应特性,建立液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击数值计算模型.针对液氧/煤油发动机尾焰对发射平台冲击特性,基于建立模型研究了喷管出口距离平台3,5m工况下推进剂流量和复燃对冲击特性的影响,并分析了影响差异及其产生差异的原因.结果表明:尾焰自由射流区的激波膨胀、压缩距离和壁射流区面积随推进剂流量的增大而增大;考虑复燃化学反应不仅改变了自由射流区和滞止区的形状结构,而且增大了壁射流区的面积和温度;复燃和推进剂流量均是通过影响尾焰结构对冲击特性产生影响,具体影响效果与喷管出口和发射平台间距离有关.      

固体推进剂碱金属杂质及喷焰后燃效应的参数辨识研究

提出用参数辨识确定推进剂中钾、钠杂质含量以及后燃对喷焰微波衰减影响程度的方法。用辨识的参数预估喷焰微波衰减值与实验所得结果吻合,证明了用辨识技术研究喷焰的微波衰减特性的方法是可行的。     

一种超声速射流计算方法与实验验证

高温射流流场计算是尾焰辐射目标特性计算的前提,然而由于缺少可靠实验数据,针对湍流超声速射流的数值模拟多集中于低温射流,高温射流计算与实验的对比工作还很少见。利用k-ωSST双方程湍流模型,模拟了多个典型超声速射流实验的流场速度与温度分布,通过与实验结果进行对比,建立了一种超声速射流计算方法。首先,通过对比多个低温射流的实验与计算结果,探索了湍流模型中可压缩修正以及来流湍动粘性比对超声速射流计算结果的影响;进而,针对火箭发动机尾焰实验,计算尾焰流场与流场红外辐射,流场辐射计算结果与实验观测结果符合较好,进一步验证了计算方法。最终认为经过可压缩修正的k-ωSST双方程湍流模型结合湍动粘性比取值30可以作为超声射流计算中较为典型的湍流计算方法。     

固体火箭发动机喷管出口粒子参数和尾流温度测量方法研究

介绍了光学辐射温度计和激光衰减法测量固体火箭发动机尾流温度和粒子参数的基本原理.利用所建立的实验系统测量了固体火箭发动机实验时的温度和粒子参数.实验表明,测量结果是可信的.     

热水火箭发动机实验研究

为了解热水火箭发动机的内弹道性能,分别在不同初始压强、不同啧喉直径、不同加水量的情况下进行了实验.获得了不同情况下发动机工作的数据.通过数据的分析,总结提出了发动机工作的四个阶段:初始段、过渡段、近似线性段和拖尾段;得出初始压强、喷喉直径、加水量对发动机内弹道性能的影响规律,同时发现了在发动机工作工程中,其压强曲线都是经历一个先急剧下降后缓慢下降的过程,但是当初始压强较低时,压强曲线在过渡段会出现一个短暂的先升后降的波动.分析得出:热水火箭发动机的比冲受初始压强值的影响较大,而与喷喉直径或者加水质量无关;常规火箭发动机的推力计算公式并不适用于热水火箭发动机.     

火箭喷焰引起的电离层扰动及其对主动段折射修正的影响

本文介绍了火箭喷焰引起的电离层扰动及其对主动段无线电测量数据折射修正的影响。针对某一高弹道及电离层电子含量(TEC)的测量结果,给出了电离层扰动状态下的距离误差及距离变化率折射误差的估算值。局部地区电离层的水平成层结构在喷焰的作用下会遭到破坏,使电离层折射修正复杂化。本文对这种扰动状态电离层进行折射修正提出了几种设想,并对各种修正方法适用性进行了初步分析。     

等离子体对GPS信号载噪比的影响

飞行器再入过程产生等离子体,等离子体中电子密度的变化对电磁波信号造成幅度衰减和相位偏移,严重时导致通信中断。理论分析了等离子体对GPS信号载噪比的影响;利用实验室环境下的等离子体模拟装置,设计了GPS二键相控(BPSK)调制信号透过等离子体的地面模拟方案,进行了等离子体对GPS接收机性能影响的实验研究,获得了不同电子密度下的衰减和导航信号载噪比的数据。实验结果与理论分析一致,不仅证明了等离子体下衰减与导航信号载噪比的变化是一致的结论,而且验证了实验方法的有效性。     

垂直发射巡弋飞行器总体设计方法研究

垂直发射巡弋飞行器采用由固体火箭发动机与涡喷发动机组合而成的动力系统,飞行器与动力系统一体化设计更为复杂。本文提出双质量迭代算法,通过装药质量与燃油质量的迭代计算实现垂直发射巡弋飞行器总体参数初步设计,对飞行器与动力系统的一体化设计问题进行研究,基于典型任务剖面分析了关键设计参数对于飞行器总体性能的影响规律。结果表明,飞发集成引起的涡喷发动机推力损失系数和固体火箭发动机推重比均会对飞行器总体性能产生重要影响,当推力损失系数在0.2以下时,该系数每提高0.05,起飞质量增大约3%,涡喷发动机的最大推力指标提高约5%。在总体方案设计时应尽可能降低涡喷发动机推力损失系数,并将固体火箭发动机推重比控制在4～8的范围内。     

液体火箭发动机尾焰金属发射光谱仿真与实验研究

液体火箭发动机尾焰包含丰富的光谱信息,可以作为检测发动机运行状态与故障情况的重要依据。本文建立了高精度的液体火箭发动机尾焰金属发射光谱数值模拟方法,该方法以逐线法（Line-by-Line,LBL）为基础,考虑介质的光学厚度影响。利用该方法,对液体火箭发动机发生故障时,尾焰中可能存在的铁、镍、钾发射光谱进行了数值模拟,模拟结果与NASA光谱模拟程序所得结果相吻合。最后,在甲烷-氧气、乙烯-氧气预混火焰开展了铁、钾发射光谱的实验验证,结果表明,以光谱面积与特征峰强度为对比参数,光谱模拟结果和实验结果的相对误差在2.5%以下,利用实验数据,进一步讨论了光学薄和光学厚两种模型的适用性。     

液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响

为深入研究液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响,建立了一个适用于液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的计算模型。利用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中复燃反应采用有限速率化学反应模型;采用HITEMP数据库利用逐线积分法(LBL)计算尾焰气体的辐射气体参量;采用反向蒙特卡洛法(BMC)求解辐射传输方程,得到尾焰复燃流场的红外辐射特性。结果表明,复燃反应可大幅度改变尾焰流场特性,进而改变尾焰红外辐射特性。相比于冻结流,反应流流场温度和主要辐射气体含量最大增幅分别可达15.4%及47.5%,主要辐射波段内辐射强度最大增幅可达31.5%。随发动机飞行高度增加,复燃反应所引起的红外辐射强度增量随之降低。     

多喷管液体火箭动力系统尾焰流场特性研究

为深入研究多喷管液体火箭动力系统尾焰流场特性,以由10台液体火箭发动机组成的多喷管动力系统为模型,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型的N-S方程描述尾焰流动过程,考虑复燃反应的影响,并运用压力的隐式算子分割(PISO)算法进行求解,实现了以液氢液氧和液氧煤油为推进剂的两种不同发动机尾焰的混合计算,得到了不同飞行高度下火箭动力系统的尾焰流场结构及其参数分布情况。结果表明:随着飞行高度的升高,尾焰的膨胀角度越来越大,尾焰间的相互作用加强。由于复燃反应及尾焰间相互作用影响,尾焰流场会出现局部高温区域,同时火箭底部及喷管周围会出现旋流,旋流会卷吸尾焰高温燃气,从而会对火箭底部进行烧蚀,需要对其采取相应的热防护措施。     

涡喷式发动机尾焰红外辐射计算模型研究

根据射流场红外辐射理论,分别建立了轴对称和二元矩形喷管涡喷航空发动机尾焰在任一视线的辐亮度计算模型,利用该模型可对军用喷气式发动机尾焰外辐射进行计算评估,经测量验证,本模型计算结果与测量结果具有较好的一致性。