通过一台发动机点火试验获得推进剂的燃速特性—一种分析方法

本文提出了表征固体推进剂燃速的一种分析方法。它不同于传统的燃速处理方法,用一台发动机点火即可表征推进剂在一定压力范围下的燃速。该方法将修改的弹道试验发动机和一个计算机分析程序包结合起来完成这一任务。本文详细地叙述了所采用的发动机,其药柱通道为锥形,以产生非等面燃烧压力——时间曲线。此外,讨论了计算机分析程序包。这一分析程序包采用一个内弹道模型,用优化方法确定燃速规律。这一分析方法已由一整套理论研究所证实,并提出了这些研究的某些结果。此外,本方法对复合和双基两种推进剂都进行了试验验证。这些试验结果表明,由单个试验发动机点火试验处理的燃速数据和常规方法处理的数据符合较好。本文也给出了这些研究的某些结果。     

火箭发动点火器的MTV烟火药研究

本文叙述了 MTV(Magnesium-Teflon-Viton)烟火药的研究,其目的是为了研制和试验适用于火箭发动机点火器的配方。大量的热化学计算表明,组分比例和燃烧压力对 MTV 燃烧产物的热力学性能和组分有影响。用三种配方进行了热量、热分析、工艺和内弹道研究。配方中含有维通 A 4%及两种粒度的特氟隆。此配方满足密实要求。用压力范围在0.8～4.2MPa 的小型试验发动机进行管状药柱的点火试验。用含有镁58%MTV 的组分获得了非常良好的结果,其计算的燃烧产物中50%以上处于凝聚状态。在220 MPa 压力下这种密实的点火药的燃速定律为:γ(cm/sec)=1.69 P(MPa)~(0.22)在100 MPa 压力下密实,其燃速升高15%。用上述 MTV 烟火药制成的药柱进行了一系列的环境试验,并成功地用来点燃小型研究发动机及推进剂鉴定发动机。     

多孔药柱燃气发生器的燃速变化和重现性

研完了多孔药柱燃气发生器的燃速变化特性。对几种装药量为0.5～150kg、有19～235个平行圆孔的药柱的设计进行了评价。主要讨论了多孔药柱与通常的中孔内部燃烧药柱燃速变化曲线的形状和大小的差别,不同的多孔药柱之间的差别,这些效应与弹道预测的关系,多孔药柱的压力一时间曲线重现性分析。分析采用了燃速和燃面的点火前及点火后的弹道性能评估,也考虑了侵蚀燃烧、侵蚀和沉积引起的喉面变化及特性速度变化的影响。从多孔药柱燃气发生器的点火后分析,推导出多孔药柱一般燃速变化曲线,使性能预测精度提高达3%。多孔药柱燃气发生器的性能重现性很好。高燃速发生器最大压力偏差小于3%,低燃速发生器最大压力偏差小于5%。     

端燃药柱药面点火引燃过程试验

复合固体推进剂的点火引燃过程一直受到广泛关注。为了提高发动机设计质量,减少点火试验次数,以及更好地揭示燃面的引燃着火机理,本文在大气条件下对端燃药柱的点火试验进行研究,观测到了药柱点火引燃和燃面扩展的瞬时变化情况。通过进一步分析具体燃烧过程,获得了药面单点引燃的燃面扩展方式,并结合传热仿真分析、内弹道计算结果解释了药面点火源数量是影响点火延迟差异、建压时间较长的机理,以及喷管堵塞的主要作用是控制炽热颗粒落在药面上,进而增强燃面着火效率,提升发动机点火可靠性。     

推进剂流变性对固体火箭发动机弹道性能的影响

最新的实验研究结果指出,在固体发动机药柱内部,存在着明显的燃速随空间变化。对于中孔圆柱型药柱发动机,提出了一种研究这一变化效应的模型,由此所得结果表明,燃速随空间变化效应可用来解释燃速异常系数(BARF),从而有利于提高内弹道性能预示精度.该模型综合考虑了药柱长度、压强指数及燃速随空间变化数值等因素.     

水下发动机点火设计试验

在固体火箭发动机技术应用到水雷动力装置研制中，为及时解决某水下发动机点火设计与试验，采取双药盒点火模式，对于点火药量的确定，结合理论计算，以及经验公式的估算后，与相类似的发动机进行比较计算，根据使用条件进行了修正，直接应用到全尺寸发动机地面试验。试验结果表明，发动机点火正常，能够保证药柱正常燃烧，发动机及时工作，工作压强与推力曲线完整、有效，点火一致性良好。目前采用的这种工程方法是可行、合理与有效的。     

微型固体火箭发动机点火增压过程瞬态燃速辨识

建立了微型固体火箭发动机点火增压过程一维非定常仿真模型;基于发动机点火增压物理过程,采用拉丁超立方设计方法进行了仿真试验设计,得到了传热模型参数和不同压强范围瞬态燃速模型参数的最优估计。计算和试验结果的对比表明,辨识所得模型参数合理,修正后的dp/dt燃速模型适用于微型固体火箭发动机升压速率较高的情况。     

液体火箭发动机火药起动器性能设计及考核

详细论述了液体火箭发动机火药起动器的性能设计方法,并论述了火药起动器在极限情况(高温高燃速、低温低燃速)下性能的考核方法.最后,通过应用实例对上述火药起动器的性能设计及考核方法进行了验证.     

基于凹腔火焰稳定器的亚燃冲压发动机点火性能研究

通过碳氢燃料亚燃冲压发动机直连式试验,对凹腔火焰稳定器的点火性能进行了初步研究.试验分别在高能火花塞及氰气引导火焰两种情况下成功实现了可靠点火.结果表明,基于凹腔火焰稳定技术的亚燃冲压发动机的点火性能与燃料喷注压降及喷注方式密切相关.在壁面喷注燃料的方式下,发动机容易实现可靠点火,而在中心喷注燃料的情况下,发动机很难被点燃.此外,试验还发现,发动机的喉部尺寸对采用这类结构的哑燃冲压发动机凹腔内的压力影响较小,因此,喉部尺寸的变化对其点火性能的影响也较小.     

嵌长金属丝药柱燃速测试方法研究

通过对现行多种嵌金属丝药柱燃速测试方法的分析比较,提出了一种新型的嵌金属丝燃速测试方法即标准发动机法。该方法以标准发动机模拟全尺寸发动机嵌金属丝药柱工作工况,用测得的燃速表征全尺寸发动机嵌金属丝药柱的动态燃速。它利用标准发动机在规定工况下的压强-时间曲线,确定嵌金属丝药柱有效长度燃尽所需时间,算得该压强下的燃速。标准发动机法测试精度较高,燃速测试范围较宽,且无特殊设备要求,适合发动机研制单位使用。     

Combustion performance and scale effect from N2O/HTPB hybrid rocket motor simulations

HRM code for the simulation of N₂O/HTPB hybrid rocket motor operation and scale effect analysis has been developed. This code can be used to calculate motor thrust and distributions of physical properties inside the combustion chamber and nozzle during the operational phase by solving the unsteady Navier–Stokes equations using a corrected compressible difference scheme and a two-step, five species combustion model. A dynamic fuel surface regression technique and a two-step calculation method together with the gas–solid coupling are applied in the calculation of fuel regression and the determination of combustion chamber wall profile as fuel regresses. Both the calculated motor thrust from start-up to shut-down mode and the combustion chamber wall profile after motor operation are in good agreements with experimental data. The fuel regression rate equation and the relation between fuel regression rate and axial distance have been derived. Analysis of results suggests improvements in combustion performance to the current hybrid rocket motor design and explains scale effects in the variation of fuel regression rate with combustion chamber diameter.     

基于流-固耦合的混合火箭发动机固体燃料表面退移速率计算

基于流-固耦合的方法,在充分考虑混合火箭发动机工作过程中诸多复杂物理过程的基础上,建立了一个可适用于不同工作状况下混合火箭发动机固体燃料表面退移速率预示的计算模型。计算结果与实验数据的对比验证了所建立计算模型的准确性。对模型发动机进行模拟的结果表明,混合火箭发动机中的燃烧、流动及固体燃料表面的退移速率具有明显的不均匀性,发动机中的固体燃料表面的退移速率沿轴向近似地呈“W”形状的曲线变化;在混合发动机中,突扩形状的预燃室和补燃室有利于燃料热解气体和氧化剂气体的扩散混合,可以强化对固体燃料表面的换热,提高固体燃为表面的退移速率。     

MMH/NTO双组元自燃推进剂反应机理简化

采用反应流分析结合灵敏度分析的简化方法,对MMH/NTO详细燃烧化学反应机理进行了简化,获得包含25个组分和43个基元反应的MMH/NTO简化反应动力学模型。并从着火延迟时间和燃烧火焰温度两方面,通过对比理论结果、详细机理和简化机理预测结果,在较宽范围参数内对简化机理进行了验证。验证结果表明简化机理和详细机理预测的MMH/NTO体系的着火延迟时间和燃烧火焰温度具有非常高的一致性,说明了简化反应机理的合理性。进而分析了初始温度、燃烧室压力、氧燃比对MMH/NTO体系的着火延迟时间和燃烧火焰温度的影响规律,MMH/NTO体系的着火特性对初温和燃烧室压力较为敏感,燃烧火焰温度则对氧燃比和燃烧室压力较为敏感。为后续发动机燃烧的CFD数值计算提供了准确的反应动力学模型。     

补燃循环发动机起动过程涡轮功率控制

分析了采用富氧燃气发生器的补燃循环发动机起动过程中涡轮功率的控制方法,指出起动过程中涡轮功率的主要控制参数为发生器温度和涡轮压比。起动过程中发生器温度的控制依靠选择合适的流量调节器起动流量、转级时间和转级速率来实现。起动过程中涡轮压比的控制需要控制推力室的建压时间和建压幅度,这需要选择合适的推力室燃料主阀打开时间、燃料节流阀转大流量的时间。通过数值仿真,分析了上述控制方法对发动机起动过程的影响机理。     

PE燃料热解过程对H2O2-PE固液发动机点火的影响

通过85%H2O2-PE固液火箭发动机中含有液体层的燃料热解模型,计算了PE燃料的热解过程,分析了燃料热解过程对点火时间的影响,计算结果和试验值一致。H2O2的流量对点火过程起决定性作用,当氧化剂流量低于最小点火流量时,发动机将无法点火。     

双脉冲发动机点火过程三维数值模拟

以喷射棒式双脉冲发动机燃烧室、级间隔离装置和喷管一体化为研究对象,采用数值仿真技术对Ⅱ脉冲点火过程三维流场特性进行分析研究。计算结果表明,点火初期燃气压力波峰超前于火焰峰到达级间隔离装置,并以压强冲击波形式传播,Ⅱ脉冲燃烧室相对高压区位置不断发生改变;级间孔打开过程对药柱末端压强影响较大,但对Ⅱ脉冲燃烧室压强整体上升过程影响较小;级间孔打开后,燃气经级间孔加速后形成高度欠膨胀射流,并在Ⅰ脉冲燃烧室内形成非对称带状低压区;级间孔分布的非对称性,导致压强及温度在发动机燃烧室中呈现显著的三维分布特性;高温区出现在隔板附近,而在装药前端、装药末端及外围级间孔轴线附近出现低温区。     

某固体火箭发动机点火启动过程三维流场一体化仿真

以某固体发动机的燃烧室和喷管为一体化研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动过程中燃烧室和喷管内燃气的流场特性。发动机药柱上的着火点最初出现在药柱星角尖上,然后向四周扩展;在药柱点火初期,燃气压力波先于火焰峰到达喷管;随着燃烧室内燃气压力升高,压力沿轴向分布逐渐平缓;当喷管进口压力与出口背压比达到某一值时,喷管扩张段内出现一道激波,随着压力比的升高,激波最终移出喷管,燃气流速在喷管出口处达到最大值。     

固体火箭发动机药柱裂纹腔内三维流场瞬态特性分析

以固体发动机药柱内存在的楔形裂纹为研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动阶段裂纹腔内的对流燃烧过程。在裂纹腔侧壁被点燃前,裂纹腔内的燃气压力基本呈均匀分布,且约等于燃烧室燃气压力;在裂纹腔侧壁被点燃后,燃气压力逐渐呈现出上部低、下部高的分布,且腔内平均压力远高于燃烧室内燃气压力;裂纹腔侧壁开口边缘处的推进剂首先达到点火温度开始燃烧,燃面迅速向内推进,燃气以非常高的速度向外流出裂纹腔。     

金属粉末燃料冲压发动机初步试验研究

为了检验金属粉末燃料冲压发动机的点火及燃烧特性,对设计的发动机进行了初步的直连式试验研究。初步试验结果表明,目前设计的燃料供应系统能将粉末燃料有效输送到发动机燃烧室;在火炬作用下粉末燃料能实现快速点火启动;火炬工作结束粉末燃料可自身维持燃烧;燃烧室壁面沉积较多,主要分为2层,其中表层为白色MgO,内层为Mg、MgO和Mg3N2的混合物。     

Experimental investigation of fuel regression rate in a HTPB based lab-scale hybrid rocket motor

The fuel regression rate is an important parameter in the design process of the hybrid rocket motor. Additives in the solid fuel may have influences on the fuel regression rate, which will affect the internal ballistics of the motor. A series of firing experiments have been conducted on lab-scale hybrid rocket motors with 98% hydrogen peroxide (H₂O₂) oxidizer and hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) based fuels in this paper. An innovative fuel regression rate analysis method is established to diminish the errors caused by start and tailing stages in a short time firing test. The effects of the metal Mg, Al, aromatic hydrocarbon anthracene (C₁₄H₁₀), and carbon black (C) on the fuel regression rate are investigated. The fuel regression rate formulas of different fuel components are fitted according to the experiment data. The results indicate that the influence of C₁₄H₁₀ on the fuel regression rate of HTPB is not evident. However, the metal additives in the HTPB fuel can increase the fuel regression rate significantly.