固体火箭发动机中推进剂燃速的预测(综述)

本文论述了燃速预测的重要性,分析了发动机中实际燃速与预测燃速的差异,分别评述了SPP程序对燃速的处理方法、标准发动机预测燃速的要求、测试精度对燃速相关性的影响以及用燃烧理论模型进行燃速相关的问题.介绍了端面燃烧药的锥化现象和内孔燃烧药柱的驼峰效应.最后对开展燃速预测的研究工作提出了建议.     

固液火箭发动机试验燃速的计算

基于固液火箭发动机固体药柱燃速与药柱通道氧化剂质量流率的关系,推导分析得出:在2s短工作时间内或者药柱通道直径增大10%的情况下,燃烧室压力与其氧化剂质量流量成正比.因此通过试验测量的燃烧室压力可计算得到发动机转级或者关机拖尾段中的氧化剂质量流量.据此,计算发动机拖尾段消耗的燃料质量,消除发动机拖尾段燃料消耗对平均燃速的影响,可以修正常用的计算试验燃速的起止点平均法.利用此方法对两种试验推进剂组合的燃速进行了计算,原偏高的燃速值降低约20%,不同尺寸发动机的燃速符合尺寸规律,偏差在5%以内,使小尺寸发动机测得的燃速可应用到大尺寸发动机的设计中.      

降低超高燃速推进剂表观燃速压力指数的研究

通过对超高燃速推进剂（UHBRP）燃速压力曲线的理论分析，提出了一种降低UHBRP表观燃速压力指数的技术途径。实验上采取密度梯度的方法制造药柱，用大容量密闭爆发器测定了密度梯度药柱的燃速，得到了几乎平台型的燃速压力曲线。达到降低UHBRP表观燃速压力指数的目的，数据重复性良好。     

固体火箭发动机燃速相关性研究

本文通过Ф118mm标准试验发动机与某型号固体发动机燃速相关性的试验研究结果证明:推进剂药条燃速与Ф118mm标准试验发动机或与型号固体发动机的燃速在其各公差范围内,不存在相关性;只有Ф118mm标准试验发动机与型号固体发动机燃速间具有强相关性.本文通过回归分析给出了燃速的回归方程数学表达式.本文在国内战术型号固体发动机批生产中是首次提出并得到实际应用.     

端面燃烧药柱的燃速增大特性

本文综述了近年来国外研究端面燃烧固体火箭发动机中药柱的燃速增大特性所取得的最新成果.在一些端面燃烧装药的固体火箭发动机中,平面的燃烧端面往在演变成锥形燃烧面.实验表明:产生这种现象的主要原因是推进剂中可移动组分的迁移,细颗粒在界面高度集中,以及推进剂的应变造成的.文中还介绍了控制燃速增大,避免在燃烧过程中出现瞬态锥面的各种方法及其实验结果.     

低燃速贫氧推进剂燃气发生器端面燃烧规律动态诊断研究

为了探索冲压发动机用低燃速贫氧推进剂燃气发生器端面燃烧的规律,采用X射线荧屏分析技术对全尺寸燃气发生器端面燃烧规律进行了诊断研究。试验成功采集了燃气发生器药柱燃面随时间的退移图像,图像数据表明低燃速贫氧推进剂药柱沿轴线方向以近似"三维"锥面体进行退移,在45s左右逐渐形成相对稳定的锥顶角68.5°。试验数据还表明,锥面效应一方面引起燃气发生器药柱燃速由1.60mm/s增大到1.80mm/s;另一方面引起装药燃烧室压强由初始平衡压强0.89MPa爬升到最大工作压强1.75MPa。工作结束后喷管喉径固体线性沉积率为2.68μm/s。     

组合催化剂MT在丁羟推进剂中的应用

研究试验了组合催化剂MT在丁羟推进剂中提高燃速和降低燃透压强指数的作用。结果表明，MT与不同含量和粒度小于10μm的AP匹配使用，燃速可在9mm／s～30mm／s范围内调节；压强指数均小于0．2（压强范围3MPa～9MPa），出现“平台”燃烧效应；发动机实测的压强指数与试验结果基本一致；选用合理的M与T组合比，可不影响推进剂制造工艺性能和药柱力学性能。对结果的理论分析认为，M与T对改善AP低压下热分解具有协同效应。     

基于高分辨率数据重构的固体燃料冲压发动机燃料平均燃速测试

采用一种非接触主动式扫描和结构光栅投影定位技术,对以高密度聚乙烯(HDPE)为推进剂的固体燃料冲压发动机地面实验后药柱内孔燃烧形貌进行了三维点云数据重构,获得了固体燃料内表面当地平均燃速的三维分布云图。研究发现:①通过该方法计算所得药柱燃烧去除质量与实验后实际质量变化量误差在0.1%内,精度满足用于固体燃料燃速的评估要求;②构建的数据重构燃速测试方法能真实反映燃料药柱结构变化,且具有一定的适用性;③通过该方法得到了当地平均燃速与总平均燃速的关系并通过线性拟合的方法得到了燃速与来流空气质量通量关系。通过对该方法的验证分析,认为所提出的燃速测试方法对深入研究固体燃料冲压发动机燃速具有一定的参考价值。      

固体发动机燃速相关性

分别采用温度与压强相分离的一元回归分析方法和温度与压强相耦合的二元回归分析方法,对同一工艺条件下大量的药条燃速、Φ=127 mm发动机燃速和全尺寸发动机燃速进行了统计和回归分析,得出了上述三种燃速之间的回归方程。结果表明该方法具有足够的精度。     

冲量法固体推进剂燃速测试原始数据有效性判定

为了定义并明确冲量法燃速测试的应用边界,通过对“推进剂药柱点火不同步”、“存在侵蚀”、“推进剂药柱同心度不好”3种情况下终了燃面偏离设计值的分析,提出以最大压强尤其是最大推力处的下降速率作为冲量法燃速测试数据有效性的判据,该判据同时解决了“裸露的推进剂药柱表面同步点火”无法评判的问题。根据燃烧室在无加质条件下燃气质量的变化规律,计算获得燃烧室压强随时间的改变趋势,与试验压强-时间曲线进行对比,提出数据有效性因子K,给出了原始数据有效性的数值判定方法。研究表明,当数据有效性因子K=1～1.2时,冲量法燃速测试结果与恒压发动机燃速测试结果一致性较好,数据有效。同时验证了喷管烧蚀会影响冲量燃速测试的压强范围,但不影响燃速测试结果。     

Internal ballistic simulation of multi-burning-rate solid rocket motor based on parameterized feature CAD model

Internal ballistic simulation (IBS) method of multi-burning-rate solid rocket motor (SRM) was developed based on 3-D burning regression method by parameterized feature CAD model (PFCADM) and lumped parameter, in consideration of time-dependent, erosive-burning-effect from internal ballistic numerical algorithm. By driving multi-parameter CAD model based on PFCADM, the approach is capable of conducting the geometric regression simulation of various grain combinations of complex configurations with different burning rates. Through suitably simplifying the internal ballistic numerical algorithm, the problems of coupling geometric regression simulation of sub-grains of different burning rates and high computational consumption of internal ballistic calculation were solved. One tri-burning-rate grain motor, which had been firing-tested, was used as the validation case of simulation. The results show that, with the 3-D grain regression model and sufficient accurate internal ballistic algorithm, the method realizes IBS of the case in low computational-consumption prediction of its performance within the accuracy of 2% during 1h clock-time. The application of the method provides a practical approach to aid SRM design of multi-burning-rate grain.      

不同药型固液火箭发动机性能特点

根据平行层燃烧理论,推导了不同药型燃烧面积和燃烧边界长度随燃去肉厚变化的数学规律;在此基础上,建立了固液火箭发动机系统设计模型,将设计过程转化为数学模型;之后采用遗传算法对不同药型固液火箭发动机进行了优化设计.通过对优化结果的比较和分析,开展了不同药型应用于固液火箭发动机的性能特点及其机理的研究,指出了固液火箭发动机不同于固体火箭发动机的内弹道特性.      

Internal ballistic simulation of multi-burning-rate solid rocket motor based on parameterized feature CAD modelInternal ballistic simulation of multi-burning-rate solid rocket motor based on parameterized feature CAD model

Internal ballistic simulation(IBS)method of multi-burning-rate solid rocket motor(SRM)was developed based on 3-D burning regression method by parameterized feature CAD model(PFCADM)and lumped parameter,in consideration of time-dependent,erosive-burning-effect from internal ballistic numerical algorithm.By driving multi-parameter CAD model based on PFCADM,the approach is capable of conducting the geometric regression simulation of various grain combinations of complex configurations with different burning rates.Through suitably simplifying the internal ballistic numerical algorithm,the problems of coupling geometric regression simulation of sub-grains of different burning rates and high computational consumption of internal ballistic calculation were solved.One tri-burning-rate grain motor,which had been firing-tested,was used as the validation case of simulation.The results show that,with the 3-D grain regression model and sufficient accurate internal ballistic algorithm,the method realizes IBS of the case in low computationalconsumption prediction of its performance within the accuracy of 2% during 1hclock-time.The application of the method provides a practical approach to aid SRM design of multi-burning-rate grain.     

大L＊脉冲发动机内弹道性能的实验研究

本文介绍了远程火箭中间段制导地面动态联试用的大Ｌ＊脉冲发动机内弹道性能实验研究的情况，包括静态点火试验、动态旋转试验和高低温环境试验的情况。试验数据与设计数据符合良好。试验结果表明，脉冲发动机的主要性能满足与弹上控制系统动态联试的要求，但也带有大Ｌ＊发动机的某些明显特点。     

SolidWorks二次开发在燃面计算中的应用

以SolidWorks二次开发接口为基础,探讨了参数化设计在固体火箭发动机装药燃面计算中的应用.通过不同的药柱建模方法实现了固体药柱的装药计算,发展了一种更为简单准确的燃面计算方法.计算结果表明,理论计算和试验结果吻合得较好,能够较好地模拟固体药柱的燃烧过程,可以满足工程计算上的需要,为固体装药的燃面计算提供了新的思路和方法.      

大过载下固体火箭发动机内弹道计算

大过载会对固体火箭发动机装药燃烧产生很大的影响。采用基于加速度的装药燃速增强模型,通过水平集(Level set)算法对非均匀燃速下的复杂燃面非平行层推移过程进行计算,得到了大过载下的内弹道性能.计算结果表明:过载对发动机内弹道影响不大,在过载作用方向上装药燃速增加,可能导致装药出现偏烧,绝热层提前暴露,造成该处烧蚀加剧.      

Solid rocket motor propellant grain burnback simulation based on fast minimum distance function calculation and improved marching tetrahedron method

To efficiently compute arbitrary propellant grain evolution of the burning surface with uniform and non-uniform burning rate for solid rocket motor, a unified framework of burning surface regression simulation has been developed based on minimum distance function. In order to speed up the computation of the mini-mum distance between grid nodes of grain and the triangular mesh of burning surface, a fast distance querying method based on the equal size cube voxel structure was employed. An improved marching tetrahedron method based on piecewise linear approximation was carried out on second-order tetrahedral elements, achieved high-efficiency and adequate accuracy of burning surface extraction simultaneously. The cases of star grain, finocyl grain, and non-uniform tube grain were studied to verify the proposed method. The observed result indicates that the grain burnback computation method could realize the accurate simulation on unstructured tetrahedral mesh with a desirable performance on computational time.     

固体火箭发动机三维药柱燃面自动化设计方法研究

提出了一种三维药柱燃面自动化设计的新方法：根据设计者输入的设计指标和全局参数值,自动确定一系列药柱结构可选方案,自动对每一个结构方案进行药形几何参数的优化设计,自动对结构方案进行优选,并确定出可行的药柱设计方案,输出燃面设计结果。经实例设计,表明该方法是切实可行的。     

星孔药柱旋转发动机工作过程数值模拟

建立了星孔药柱发动机在旋转状态下工作过程仿真的物理模型和计算模型，给出了部分计算结果。通过数十发实验获得了燃速加速度敏感性的经验关系式，并且采用全尺寸发动机进行了实验验证。实验和理论预示压强时间曲线具有良好的一致性。     

三维组合药型单室双推力发动机燃面与内弹道计算

基于有限容积的思想，构造任意形状的三维药柱燃面退移通用计算方法，并推广应用于嵌金属丝推进剂的燃面计算。计算过程只关心燃面的始态和终态，可完全避开错综复杂的几何燃面变化规律，实现任意药型下多推进剂、变燃速燃面退移的计算机数值模拟。在此基础上，对三维组合药型单室双推力发动机进行了喉部烧蚀条件下的内弹道计算，同时与试验结果进行比较，取得了较好的效果。