多单元直排塞式喷管高度特性的数值模拟研究

为了了解多单元直排塞式喷管的高度特性和选择好的塞锥型面设计方案，从曲线坐标下的三维平均雷诺N-S方程出发，用κ-ε两方程湍流模型封闭方程组，采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)，发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序。计算了圆形喉部方形出口内喷管和直排塞锥的流场及塞式喷管的高度特性，比较了优化型面与简化型面的高度特性，研究了塞式喷管高度补偿特性和截短塞锥与全长塞锥在高度特性上的差别及其产生原因。计算表明，塞式喷管在低空具有高度补偿能力；塞锥截短将给塞式喷管的性能带来损失，在低空尤为明显；从低于设计压比的某个压比开始，塞式喷管失去高度补偿能力而进人类似钟型喷管的膨胀状态，截短塞锥将使塞式喷管失去高度补偿能力的压比降低；简化设计的塞锥型面会带来性能上的损失。     

塞式喷管单元发动机实验与数值模拟研究

简要介绍固体推进剂模拟塞式喷管单元发动机实验系统，给出了实验塞式喷管型面设计方法和特征线法在塞式喷管流场计算中的应用，癖结了实验研究结果，并同数值模拟计算结果进行了比较，主要结果包括燃烧室压力，底部气锥流量，内膨胀比，侧喷管倾角，底部压缩角等对塞式喷管性能的影响，并得出了塞式喷管单元发动机推力方向与其轴线方向夹角的高度特性。     

塞式喷管流场变化对性能的影响

为了更清楚塞式喷管的注以动机理以便合理的设计塞式喷管，本文从N－S方程出发，采用NND格式对塞式喷管的流场进行了数值模拟。重点研究了塞式喷管在高低空注以场的发展和外流对塞锥流场及其性能的影响。研究表明，在设计高度以下，塞式喷管的高度补偿作用很在,并且外流对塞式喷管影响很大，而在设计高度以上，塞式喷管的补偿作用消失，而外流的影响同样可以忽视。     

塞式喷管冷流试验研究

结合试验喷管和试验数据,从高度补偿特性、底部气动特性、塞锥截短对性能的影响和塞式喷管流场等四方面,讨论了塞式喷管的性能和气动特点。试验结果表明:塞式喷管高度补偿效果明显,相对钟型喷管在低于设计高度上仍具有高性能;注入一定流量的二次流有利于提高塞式喷管性能,防止底部开闭过渡时推力较大幅度突降;底部二次流的注入使底部开闭过渡点的压比值升高,底部闭合后的压强值增大;塞式喷管型面设计不理想,将在流场中产生激波,降低塞式喷管的性能。     

固体火箭发动机推力可调塞式喷管数值模拟与冷流试验

为满足高性能导弹推进系统需求,提高固体火箭发动机推力矢量调节性能,综合塞式喷管高度补偿和结构功能一体化的特点,设计了一套环喉型固体塞式喷管。该喷管由小喷管膨胀段和中心塞锥组成,通过移动小喷管膨胀唇部的位置,改变喉部面积大小,实现推力可调,采用数值模拟方法预估了其推力性能。对塞式喷管进行了地面冷流试验,测定了其推力性能。结果表明:环喉型塞式喷管推力性能的数值模拟结果与试验结果相吻合。当塞式喷管喉部面积满足0.7倍变化时,可实现塞式喷管推力4∶1的调节变化,同时具有明显的高度补偿效应。未来可进一步优化内喷管设计,使其广泛适用于全空领域导弹动力系统,提高发动机性能。     

塞式喷管热试实验研究

全面介绍了多个塞式喷管的热流实验研究。实验获得了固体推进剂、气氧/酒精及气氧/气氢三种推进剂组合塞式喷管的热试车性能。实验塞式喷管包括了瓦状塞锥和平板塞锥等两种塞锥形式。实验结果表明,塞式喷管特别适合用于飞行高度范围跨度大的固体或液体火箭发动机。气氧/酒精瓦状直锥塞式喷管热试车的效率达到了95%,验证了瓦状塞式喷管的高度补偿特性。一单元塞式喷管和单侧三单元塞式喷管气氢/气氧发动机热试实验成功进行了爆震波多管点火。一单元塞式喷管发动机在CNPR=110附近,效率达到93%～95%;在CNPR=450附近,效率达到96%～98%;在CNPR=1000附近,效率达到93%～96%。单侧三单元塞式喷管发动机在CNPR=50附近,效率达到92%～93.5%;在CNPR=350附近,效率达到95%～96%,预计在设计点的效率不低于98%。     

塞式喷管在固体火箭发动机上的应用研究

针对固体火箭发动机要求，比较了3种可能的环排塞式喷管结构形式，认为环排瓦状塞式喷管是目前最可行的方案。以高空工作的固体发动机喷管为例，设计了一个8单元环排瓦状塞式喷管和与其对比用的钟形喷管，在相同尺寸限制奈件下，塞式喷管的面积比大大高于钟形喷管。通过数值模拟的方法对设计的环排瓦状塞式喷管的流场和性能进行了研究，分析了不同反压下塞锥流场特点和塞锥表面的压强分布。计算结果表明，塞式喷管在设计点效率为97．41％时，其真空效率为78．63％。这比对比用钟形喷管的一维理想真空效率高出近2．0％。     

外流干扰对气动塞式喷管性能影响的数值模拟研究

本文首先对气动塞式喷管内外流干扰的机理进行了分析，在此基础上对流干扰对气动塞式喷管性能的影响进行了数值模拟研究，数值方法采用NND格式求解二维NS方程，对于不同的背压和来流马赫数条件进行量的数值实验，通过计算揭示了不同外流条件下气动塞式喷管的流动特征以及外流干扰对喷管性能的影响规律，本文的计算结果可以为气动塞式喷管的设计和性能预后提供参考。     

内喷管间隙宽度对线性塞式喷管性能的影响

为了了解内喷管间隙宽度对线性塞式喷管性能的影响，提出了对应着同一个内喷管的三种不同间隙宽度的塞锥。采用数值模拟的方法，得到了不同间隙宽度的线性塞式喷管在不同工况下的流场和性能。比较了不同间隙宽度对线性塞式喷管性能的影响，结果表明：增加内喷管间隙会增大线性塞式喷管的面积比和设计压比；内喷管间隙变宽，塞锥表面的压强下降，塞式喷管的性能下降，间隙宽度增大一倍，塞式喷管性能下降1％～3％。另外在计算过程中发现，内喷管的性能是整个线性塞式喷管性能的主要组成部分，占了整个塞式喷管性能的三分之二以上。     

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。     

Aerospike nozzle contour design and its performance validation

A simplified design and optimization method of aerospike nozzle contour and the results of tests and numerical simulation of aerospike nozzles are presented. The primary nozzle contour is approximated by two circular arcs and a parabola; the plug contour is approximated by a parabola and a third-order polynomial. The maximum total impulse from sea level to design altitude is adopted as objective to optimize the aerospike nozzle contour. Experimental studies were performed on a 6-cell tile-shaped aerospike nozzle, a 1-cell linear aerospike nozzle and a 3-cell aerospike nozzle with round-to-rectangle (RTR) primary nozzles designed by method proposed in present paper. Three aerospike nozzles achieved good altitude compensation capacities in the tests and still had better performance at off-design altitudes compared with that of the bell-shaped nozzle. In cold-flow tests, 6-cell tile-shaped aerospike nozzle and 1-cell linear aerospike nozzle obtained high thrust efficiency at design altitude. Employing gas H₂/gas O₂ (GH₂/GO₂) as propellants, hot-firing tests were carried out on a 3-cell aerospike nozzle engine with RTR primary nozzles. The performance was obtained under two nozzle pressure ratios (NPR) lower than design altitude. Efficiency reached 92.0–93.5% and 95.0–96.0%, respectively. Pressure distribution along plug ramp was measured and the effects of variation in the amount of base bleed on performance were also examined in the tests.     

塞式喷管多参数性能优化计算

从影响塞式喷管推力性能的因素中总结出内喷管倾角，内膨胀比、总膨胀比，燃气总压和飞行高度这五个主要因素，并以推力最大为目标函数运用枚举和逐层优化的方法对上述五个参数的取值进行优化计算，提出了对这五个参数进行优化取值的方法并得到了相关结论，其结论可为实际的塞式喷管发动机设计研制提供部分的理论依据。指导相关设计参数的确定。     

爆震波点火器在氢氧塞式喷管的工程应用

建立了氢氧爆震波点火器试验系统,并根据试验塞式喷管发动机工作状态要求设计了爆震波点火器。在高空条件下(0.005￣0.002MPa),爆震波点火器供气压力0.3MPa、混合比3左右,对爆震波点火器的点火性能进行了试验,成功实现了高空条件下爆震波点火火炬。在同样高空条件下对爆震波点火器点燃单元塞式喷管试验发动机成功进行了点火试验。试验结果表明,氢氧爆震波点火器能以较低的供气压力实现可靠点火。爆震波点火器在气氢气氧单元塞式喷管试验发动机点火的成功应用,为下一阶段应用于多管塞式喷管发动机的实际点火试验提供了技术基础。     

底部结构对塞式喷管性能的影响

为了提高塞式喷管性能，特别是提高塞式喷管底部的作用，从降低逆压梯度出发，利用外形设计法提出了六种不同于传统平面底部的底部模型，并利用数值模拟对其进行了研究，简单介绍了控制塞锥底部分离流动的基本思路，数值方法采用二阶精度的NND格式NS方程，研究表明，这几种模型相对于传统底部模型而言，底部旋涡得到了较好的控制，底部的压强有明显的上升，塞式喷管性能得到了改善，性能甚至比加入二次流要好。而且外形设计法还不需要辅助设备和消耗额外的功率，是一个容易实现的方法，本文的模型6是一种不错的底部模型，把外形设计法和底部二次流结合起来使用会获得更好的性能，塞式喷管底部的潜力尚有很大的空间可以挖掘。     

圆转方塞式喷管型面设计和试验研究

提出了圆转方塞式喷管的内喷管和塞锥型面的设计方法，内喷管用圆弧和抛物线近似，塞锥型面用抛物线和三次曲线近似，设计了一单元圆转方塞式喷管试验发动机。并采用气氧作氧化剂，气氢作燃料，进行了点火热试研究。介绍了试验发动机的结构与设计参数，以及试验系统组成和点火方式，给出了试验发动机照片、试验结果照片、测量参数曲线和性能数据处理。试验结果表明，试验发动机具有较高的热试效率：在三个不同工作高度下，喷管推力系数效率在93％-98％之间，说明圆转方塞式喷管的型面设计和试验方法是可行的。     

塞式喷管发动机多管点火方案的研究

塞式喷发动机点火系统应能同时为十个以上独立的小燃烧室提供充足的点火源，在主推进剂进入后能继续维持燃烧，文中给出了三种点火方案，利用爆震波只需较小的电能输入即可同时点燃塞式叶管发动机的多个燃烧室，用气动谐振点火器无需外部能量输入即可实现多管点火，小燃烧室的电火塞点火能将小燃烧室喷出的火炬用于塞式喷管发动机的多管点火。文中最后给出了气动谐振点火器用于塞式喷管发动机多管点火时的实验数据和技术途径。