火箭冲压组合发动机部件缩尺关系理论初探

为了使小尺度火箭冲压组合发动机的试验结果支撑中大尺度发动机的研制,从火箭冲压组合发动机各个部件的工作原理出发,理论分析了火箭冲压组合发动机部件缩尺关系,构建了小尺度发动机部件与中大尺度发动机部件之间的缩尺关系。研究表明:液态碳氢燃料火箭冲压组合发动机缩尺关系区别于氢燃料超燃冲压发动机的"压力-长度"缩尺关系;发动机各部件的缩尺关系差异明显;进排气系统可采用几何缩尺关系;隔离段、燃料喷注器、火焰稳定装置遵循不同的缩尺关系;燃料穿透深度与发动机尺寸呈线性关系,而蒸发和雾化与发动机尺度无关;火箭推力室缩尺可按照缩尺因子改变火箭推力室的数量实现。     

火箭冲压组合动力系统特征点推阻特性初探

推阻力是火箭冲压组合动力系统的重要特性,研究推阻特性及影响因素对动力系统研发极为重要.对模型动力系统在高空高速点下的推阻力进行了仿真和试验研究,获得了动力系统在火箭发动机模态、火箭/冲压发动机模态及冲压模态、不同余气系数下的推阻力.结果表明:所研究的模型在火箭发动机模态下,火箭发动机推力室在动力系统内产生的推力大于火箭发动机的设计推力;火箭/冲压发动机共同工作条件下,推力大于火箭发动机设计推力与同一余气系数冲压发动机模态推力之和;冲压模态下,动力系统的推力随余气系数减小而增大;理论计算与试验结果相符.     

火箭冲压组合动力研究进展

对国内外火箭冲压组合动力(RBCC)研究现状与发展路线进行了总结，阐述了各国主要研究计划和取得的重要成果。系统地总结了西北工业大学航天学院在火箭冲压组合动力的研究进展和研究成果，经过近二十年的发展，完成了从发动机理论分析与原理验证、部件设计与试验到小尺度发动机地面集成验证，初步突破和掌握了宽域全流道设计、宽来流高效燃烧与火焰稳定以及模态过渡等多项关键技术，具备了开展飞行演示验证的基础。     

RBCC发动机火箭推力增益之探讨

为提高火箭基冲压组合循环(RBCC)发动机火箭冲压模态下火箭推力增益,基于模拟飞行Ma=4来流条件的数值计算结果,分析了火箭射流与冲压主流超/超剪切流动的特性,探讨了火箭推力增益的组成,并给出了提高火箭推力增益的措施:1)冲压流道、火箭工作参数的选取必须确保两股超声速剪切流之间的流动匹配,在有限空间内快速、低损的实现高能火箭射流与低能冲压主流间的动量及质量输运,最大限度地提高发动机喷管排气速度及压力;2)采用高室压火箭,通过增加推力室室压,提高火箭燃气膨胀程度,减小火箭推力增益损失。     

粉末燃料冲压发动机研究进展

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料,兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机,粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能,还能改善并增加其原有功能,是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。针对粉末燃料冲压发动机及其相关研究领域的发展现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末燃料供给、发动机燃烧组织、发动机点火等粉末燃料冲压发动机主要关键技术,同时对发动机技术提出了高性能粉末燃料研究、冲压空气作为驱动流化气可行性研究、发动机快速响应和环境适应潜力及工作可靠性研究等几点研究展望。通过对粉末燃料冲压发动机相关研究技术进行综述梳理,明确了其研究的重点和难点,为发展高性能冲压发动机提供了一定参考。     

空射导弹用冲压发动机性能分析

对固体火箭冲压发动机、液体燃料冲压发动机，固液燃料火箭冲压发动机和固体燃料冲压发动机的性能进行了对比分析，探讨了上述冲压发动机在空射导弹方面的适用领域。     

颗粒相对固体火箭发动机稳定性影响的大涡模拟研究

为研究颗粒相对固体火箭发动机(SRM)稳定性的影响,在考虑颗粒燃烧和两相间耦合的条件下时模型固体火箭发动机内部多相湍流进行了大涡模拟.结果发现:在颗粒相的作用下,发动机上游形成了强度很小的小尺度湍流;在主燃烧室可观察到颗粒相具抑制大尺度湍流向流场核心区和近壁区渗透的作用,抑制作用受颗粒大小和含量的影响.颗粒相可增加小尺度的湍流扰动,但同时也抑制了主燃烧室内大尺度湍流的不稳定性.     

固液混合火箭发动机缩尺效应研究

全尺寸固液混合火箭发动机试验耗费大,通常采用缩比发动机进行试验。为确保缩比试验代替全尺寸试验的准确性和有效性,对固液混合火箭发动机进行了相似性理论研究。结果表明当缩尺发动机与全尺寸发动机几何相似、采用相同的氧化剂和燃料组合,且氧化剂流率与药柱内径比值相同时,理论上缩比试验一定程度上能够反映全尺寸发动机的特性。     

RBCC发动机火箭及火箭冲压模态热力循环分析

为了研究RBCC发动机火箭模态及火箭冲压模态的工作特性,基于发动机地面自由射流试验结果,利用一维气动理论构建了发动机火箭及火箭冲压模态的性能分析模型,对发动机6 Ma来流条件的试验数据进行了处理,获得了发动机轴向的沿程气流参数,分析了发动机的热力循环、工作效率、有效能分布以及部件和排气中的有效能分配比例。结果表明：一维计算得到的推力与试验结果误差在5%以内;火箭冲压模态下火箭燃气的引入可以有效提升发动机的热循环效率(约提升20%),火箭燃气的引入对有效能产生率和有效能的分配比例影响不大,火箭冲压和冲压模态的有效能产生率分别为0.45和0.48;火箭模态推力增益产生的主要原因是火箭燃气的能量添加至冲压流道中,形成了有效的热力循环,产生了机械能增量,最终表现出推力增益,约为29%。     

500t级液氧煤油补燃发动机起动过程仿真研究

500t级液氧煤油补燃发动机是我国首台采用双推力室方案、自身分级起动方式的重型液体火箭发动机。结合重型发动机特点建立了描述发动机起动过程的数学模型,通过数值仿真分析了影响发动机起动特性的主要因素,确定了发动机的起动方案。研究结果表明：液氧主阀和发生器燃料阀打开时差应确保发生器点火在氧头腔充满后进行;流量调节器的转初级起始时间应早于推力室建压时间;燃料节流阀转大流量应在发动机起动受控段进行。     

氢氧推力室再生冷却内壁故障分析

对某氢氧火箭发动机在热试车后推力室再生冷却通道内壁产生裂纹的故障建立了理论分析模型,并进行了温度场与应力场的耦合计算分析。分析认为,推力室内壁在连续的发动机热试车中出现故障的机理为较大的热载荷和机械载荷的组合促使推力室内壁的组合应力超过当地的屈服极限,产生较大的塑性变形所致。采用改善冷却通道的结构形式、燃烧室内壁采用适当厚度的隔热镀层、降低推力室内壁应力比R等措施可以提高再生冷却推力室的热循环寿命。     

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。     

双推力室起动同步性研究

我国新一代大推力液氧/煤油补燃发动机采用双推力室方案,发动机起动时存在推力室点火不同步情况.以500 t级液氧/煤油补燃发动机为研究对象,针对起动时推力室点火不同步问题,对发动机推力室燃料路的控制方案进行了研究.建立了描述补燃循环发动机起动过程的数学模型,搭建了双推力室发动机起动仿真平台.通过对推力室燃料路两种控制方案的对比分析：指出了从降低发动机系统对双推力室不同步点火的敏感程度考虑,采用2个燃料节流阀分别控制各分支燃料路的方案较优;推力室燃料路采用一个燃料节流阀的控制方案时,推力室冷却套流阻偏差不宜大于1 MPa.     

高压推力室冷却设计

本文旨在介绍国外有关烃类燃料作为液体火箭发动机推力室再生冷却的研究结论。综述了先进的冷却设计应考虑的问题。要实现可重复使用,必须采取措施提高推力室疲劳循环寿命,既要有可靠的冷却设计,又要解决内壁被腐蚀问题。文章最后简要介绍了我国新一代高压补燃液氧/煤油发动机冷却设计应考虑的问题。     

液体火箭发动机制造技术发展现状

以欧洲阿里安系列火箭为例,介绍了发动机的制造技术发展情况,详细论述了推力室及涡轮泵的几大部件所采取的工艺技术,通过对液体火箭发动机制造技术现状的分析,说明了制造技术的发展不仅为发动机采用新结构、新材料创造了条件,而且还促进了发动机性能的提高。     

国外氢氧发动机的火舌点火器

液氢、液氧推进剂为非自燃燃料,需要一个外部点火能源。国外氢氧发动机,如美国研制的 RL10A3-3、J2、航天飞机主发动机、欧洲的阿里安火箭第三级 HM-7试验推力室以及日本H-1火箭第三级的 LE-5发动机等,均采用     

推力室响应特性模拟试验研究

液体火箭发动机推力室响应特性包括起动加速性及关机减速性,这些都是考核发动机性能的指标,其通常结合发动机的热试车进行测量.本文提出了一种间接测量推力室响应时间的方法,即通过测量发动机相关部件的充填时间等参数估算推力室响应特性,然后对该方法的误差进行了分析.文中还介绍了具体的试验方案和试验结果,讨论了本方法的应用效果和发展前景.     

新型高密度燃料性能研究

研究了新型高密度碳氢化合物HD-2与航空煤油的复配。通过对不同配比的燃料的密度、黏度、闪点、燃烧热值的测定比较,研究了复配燃料的基本性能;通过火箭一冲压组合发动机（RBCC）航空煤油点火燃烧性能实验,研究了不同HD-2添加含量的复配燃料的燃烧性能。基本性能测试实验和点火燃烧性能实验的结果表明：添加HD-2高密度碳氢化合...     

RBCC可重复使用运载器上升段轨迹优化设计

针对火箭基组合动力(RBCC)可重复使用运载器(RLV)轨迹多段、多控制变量、推力与飞行轨迹耦合,飞行轨迹设计困难的问题,提出了基于高斯伪光谱方法的数值优化求解模型和求解方法,并获得满足要求的上升段燃料最省轨迹。将该轨迹分为3部分,分别由引射火箭、亚燃冲压和超燃冲压发动机提供动力,以攻角和燃料秒流量为控制变量,根据轨迹任务和各模态发动机启动及工作条件建立优化模型、设定各段末端和路径约束,利用高斯伪谱法求解最优轨迹并利用特殊方法计算边界控制变量。通过与传统方法所得轨迹的对比表明,所建立的优化模型和方法可快速求解出RBCC运载器上升段最优轨迹,优化结果符合RBCC运载器工作特点。     

液体火箭发动机的热结构复合材料

20多年来,火箭工程设计人员一直在研究耐高温、抗氧化陶瓷材料的应用可能性,但是这些材料的主要缺点是易碎和抗热壅塞性差.目前工业用碳陶瓷和陶瓷-陶瓷结构复合材料具有很好的弹性和很强的抗热壅塞性能,这重新引起了人们制造高温火箭发动机复合材料部件的兴趣.这类新材料目前正由欧洲动力装备公司(SEP)生产,其名为SEPCARB和CERASEP,它们具有独特的热和机械性能,可以取代难熔金属而应用于可贮存二元推进剂火箭发动机的整体式喷管和推力室.装有这些部件的工艺发动机已经试验成功,从而为下一代火箭发动机的生产铺平了道路.