火箭发动机小斜切角喷管的设计方法

根据火箭发动机的推力公式及空气动力学有关理论,导出在小斜切角喷管内气体流动的特性、推力的变化规律,并给出喷管的设计方法.     

斜切喷管火箭发动机推力的近似计算

本文根据火箭发动机推力等于作用在火箭发动机内外表面上压力的合力这一基本公式,引入在一定条件下喷管扩张段内的燃气压力与喷管截面半径成线性变化的关系,导出大料切角时斜切喷管火箭发动机的轴向推力和侧向力理论计算的近似公式。计算结果与六分力推力试验的测试结果相比颇为接近,说明该公式具有较好的计算精度,可以用于涡轮式火箭弹推力和转矩计算以及某些反推发动机的推力计算。     

微推力全弹性测量装置

介绍了一种新型微小推力测量装置的工作原理和工作过程,推力测量范围0~200 mN,装置测量精度±1%。针对N2和N2O冷气发动机,模拟空间工作环境进行了地面试验,对发动机工作推力、推进剂流量、压强、真空度等参数进行了测量,给出推力测试结果与理论计算数据的对比。试验证明,推力测量装置工作稳定、可靠,可以精确测量出发动机mN级微小推力。     

固体火箭发动机塞式喷管数值模拟和热态试验

为了考察固体火箭发动机塞式喷管的性能,设计了一套单元内喷管数为16、面积比为25的环簇式固体塞式喷管和一对比用钟型喷管,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热态试验,测定了其推力性能.结果表明,环簇式塞式喷管地面燃气流动现象和推力性能的数值模拟结果与试验结果吻合.塞式喷管在地面上的推力效率达92.6%,比同面积比和长度的钟型喷管高9.1%,具有明显的高度补偿效应;但高空效率比用钟型喷管效率降低5.8%.      

基于推阻平衡的喷管型面截短方法研究及试验验证

出于减小喷管壁面摩擦损失的考虑以及发动机的整体布局的受制,传统推力喷管设计方法得到的理想喷管通常需要进行适当截短。合理的截短方法有助于保持喷管性能,因此,通过壁面单元受力分析并考虑单元体内的推力与阻力关系,提出了一种推阻平衡的喷管截短设计方法。使用上述方法对一个三次曲线型面的三维原始完全膨胀喷管进行截短,使喷管长度减小25%,重量减小34%。通过风洞试验与数值模拟结果对比发现,截短后的喷管推力系数提高1.5%,升力也得到有效提高,验证了此种截短方法的正确性。截短后喷管处于欠膨胀状态,与理论分析得到的最大静推力状态结果相符。     

火箭喷管推力偏心高精度计算软件

利用火箭喷管从亚声速、跨声速到超声速的非对称流动数学模型建立了计算喷管推力偏心的理论模型，并采用高精度有限体积TVD格式求解数值方程，可以对火箭发动机喷管的推力偏心特性进行评估与设计，并集成为Nvc软件。该软件完成了从喷管网格生成、数值计算到推力偏心分析全过程，界面友好，使用方便，大大提高了设计效率，通过大量的计算与试验结果的比较，计算结果可以满足工需要，减少试验次数，节约成本，具有广泛的用途。     

斜切喷管固体火箭发动机喷管流场与推力特性研究

为了研究斜切喷管固体火箭发动机的喷管流场与推力特性,采用二阶精度的AUSM格式求解守恒型N-S方程组并与Realizable k-e湍流模型相结合,对不同角度斜切喷管的流场特性与推力特性进行数值模拟研究。同时,设计斜切喷管发动机推力测试试验台,通过此测试平台获取发动机工作过程的推力曲线,并与数值仿真结果进行对比,验证所建立的数值仿真计算方法的可行性和有效性。结果表明：通过数值仿真方法获得的斜切喷管发动机推力与试验结果之间的误差较小;由仿真与试验结果可知,45度斜切喷管推力作用线与喷管轴线之间存在夹角,表明斜切喷管发动机存在推力偏转现象。此外,该结构喷管流场存在两个激波交汇高压强区域,同时第二道激波结构强度高于第一道。当喷管斜切角度达到40度,随着喷管斜切角度的增加,斜切喷管的质量流量、总推力与推力偏转角不断减小,但减小趋势不断变缓。     

环境压力大偏差条件下拉瓦尔喷管发动机高空推力的确定

简析了拉瓦尔喷管发动机高空模拟试验的特殊性,提出了大模拟偏差条件下确定和修正拉瓦尔喷管发动机推力的方法。试验结果表明,在保证推力不确定度优于1.0%的条件下,拉瓦尔喷管发动机高空模拟试验的模拟偏差容限约为14%。当设备能力限制或其他特殊原因而采用环境压力大模拟偏差技术时,可以采用本研究的推力系数确定方法确定发动机的推力。      

塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响

为了分析塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响,分别设计了使用塞式喷管和钟形喷管的固液火箭发动机。发动机喷管选取了三个不同的扩张比,对应高空和地面两个设计状态。通过数值仿真,预估了发动机的性能,并将使用塞式喷管结构和钟形喷管结构的两种固液火箭发动机进行了对比分析。结果表明:相对于钟形喷管结构,使用塞式喷管结构能够提高固液火箭发动机的燃烧效率和比冲效率,且最大分别提高了4.13%和3.37%;地面条件下,大扩张比的塞式喷管的仿真推力系数要比同扩张比的钟形喷管的仿真推力系数大2.69%,体现出塞式喷管的高度补偿效应;与钟形喷管内壁面温度相比,塞式喷管塞锥壁面的温度明显更低。     

排气扩压器对TBCC排气系统的流道性能影响研究

为了研究不同的排气扩压器（简称排扩）直径、排扩形状以及排扩与单边膨胀组合喷管模型之间的相对位置对缩比喷管试验推力测量的影响,对3种排扩在不同的长径比下,进行了共6组风洞试验,同时对相应工况进行了数值模拟,并将试验与数值计算结果进行比较。研究结果表明：排扩的形状对喷管测力影响很小;大直径的排扩2的距离变化对测得的推力系数基本没有影响,但小直径的排扩1在排扩入口与喷管出口齐平工况下测得的推力系数明显小于喷管伸入排扩工况;在喷管模型伸入排扩工况下,排扩的直径对喷管测力基本无影响,但是在喷管出口与排扩入口齐平的工况下,使用小直径的排扩1会使测得的推力系数偏小。因此,排扩的几何参数变化对喷管外壁面的边界层流动影响很小,在排扩对喷管出口流场产生雍塞时,会影响喷管的推力测量。     

航空发动机推力直接测量飞行试验

建立了基于推力直接测量原理的发动机总推力计算模型,合理忽略了某些次要力简化了计算模型。在推力销上加装剪力应变桥路,建立载荷标定方程和温度修正方程获取发动机安装节推力;利用进气道测量耙测试参数,计算飞行中进气道冲压阻力和压差阻力。在某型飞机上开展了推力直接测量飞行试验,获得了某小涵道比涡扇发动机飞行总推力,并分析了空中平飞加速过程总推力和各推(阻)变化规律。结果表明:飞行马赫数处在约0.98~1.02时,总推力随飞行马赫数增大而急剧增大;高度为8km、飞行马赫数为1.42时发动机最大状态总推力相对值为123.78%,高度为11km、飞行马赫数为1.69时总推力相对值为119.70%,均高于相同状态地面台架推力值。通过分析进气道压差阻力百分比,验证了发动机空中总推力测量结果具有较高的准确性以及推力直接测量技术的可行性。     

轴对称射流矢量喷管非矢量状态下推力特性研究

通过数值模拟,研究了非矢量状态下（射流流流量为零）轴对称射流矢量喷管在低落压比时（NPR≤3.5）,射流缝内形成的空腔流动对喷管推力特性的影响;利用这种影响来控制低落压比时喷管的气流分离位置,提高了喷管处于低落压比时的喷管推力系数;推力系数可以提高到0.90以上。因此合理布置双连通射流缝的位置,不仅有利于提高射流的推力矢量效率,而且有利于提高低落压比无次流时的推力系数,从而弥补射流矢量喷管几何固定带来的不足。     

通过进排气总压比EPR测推力的基本原理

 涡轮发动机一直是通过转速来操纵的。可是同一转速而进气总温变时状态也变,低总温时增压比、推力就高,高总温时则相反。凶此按与推力较直接联系的参数来操纵就有可取之处。普惠公司JT3D-9D系列发动机已用进排气总压比、简称发动机总压比EPR=p5~*/p1~*作推力主操纵参数,而以转速操纵作备用。     

一种多脉冲微推力的测量方法

 微推力测量技术是微推进器设计的关键技术之一,是微小卫星进行轨道保持、姿态控制的基础技术。多脉冲平均微推力的测量对于脉冲微推进器的特性研究有着重要的作用。对常用的微推力测量方法进行了总结,提出了一种多脉冲微推力测量的方法。基于二阶系统模型,利用傅里叶展开的方法,分析了在多脉冲推力作用下测量系统的动态响应。理论分析和仿真结果表明：在推力脉冲的频率远高于测量系统的固有频率时,系统的稳态转角同微推进器的平均推力成正比;可通过测量系统的稳态转角来获得平均推力大小;通过测量得到的平均推力,还可以获得总冲的大小。该测量方法可以有效避免推力信号的波动对于平均推力测量的影响。     

涡扇动力模拟短舱反推力校准试验技术

为满足大飞机的反推力风洞试验需求,中国空气动力研究与发展中心发展了涡扇动力模拟短舱反推力校准试验技术。在FL-12风洞建立了反推力校准试验平台,利用推力天平测量反推力短舱实际推力,通过空气桥减少高压供气管路对天平测量影响,通过安装在短舱进口和喷口之间的隔板解决短舱进排气对风洞气流的诱导及反向喷流被短舱重新吸入的问题。发展了反推力校准试验方法和试验数据修正方法。为验证反推力校准试验技术可靠性,分别在FL-12风洞和FL-13风洞开展了某型号反推力校准试验和全机反推力风洞试验,试验结果表明:随排气压比增大,反推力短舱流量和速度的计算值与标定值之间的差异逐渐减小；校准试验精度优于0.5%,满足反推力风洞试验对校准试验的精度要求。      

一种基于引射效应的流体推力矢量新技术

流体推力矢量是一种利用流动控制技术实现推力转向的方法,针对现有二次流动控制推力矢量方案的不足,提出了采用引射方式的新型流体推力矢量技术,该技术在喷管套管内利用引射作用产生低压区使主流方向偏转,实现推力转向。并且可以通过限制流量的方法调节主喷流对单侧套管的抽吸程度,使得在喷管套管内产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的。运用这一概念设计了矩形矢量喷管,采用数值模拟方法验证了喷管的推力转向效果,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析。计算结果表明:该矢量喷管的最大推力转向角度达到24°,对应喷流附壁状态,在喷流附壁之前可以矢量控制的推力转向角为0°~13°,推力损失在1.5%~7.0%之间变化。最后根据该计算外形以1∶10比例加工了矢量喷管,运用高压气源进行了尾喷流偏转试验。试验表明该矢量喷管在设计状态能够实现射流矢量偏转,从原理上验证了该推力矢量方案的可行性。     

矢量推力台架各向同性及灵敏度分析

为了对矢量推力台架进行结构参数设计与优化,进行了台架的各向同性和灵敏度分析。考虑到各向同性和对称性密切相关,提出了矢量推力台架中测力单元对称分布定义,并推导了对称分布下,测力单元坐标满足的特征方程。基于1阶静力影响系数矩阵的条件数这一指标对测力单元对称分布的六分力台架进行了各向同性分析,发现对称六分力台架2∶2∶2构型可具有完全各向同性,而3∶2∶1构型只能具有力矩各向同性;并经过优化分布半径和方位角得到理想2∶2∶2构型需满足rx=ry=rz和(θx,θy,θz)=(0°,90°,180°)或(90°,180°,270°),理想3∶2∶1构型需满足rx=3rz/2和θx=0°。研究了两种实际台架和两种理想台架的联系和区别,并通过对实际台架进行各向同性和灵敏度分析,发现台架具有力或者力矩各向同性会导致力或者力矩灵敏度也具有各向同性;力和力矩灵敏度都与相关联的测力单元的弹性杆柔度成正比,力矩灵敏度与相关联的测力单元分布半径成反比。该研究方法和结论对设计与建造推力矢量发动机测力台架具有一定的理论与方法方面的指导意义。     

单燃速单室双推力三维药柱的工程设计

从工程实际的角度,介绍了单燃速单室双推力三维药柱的设计方法和药型参数优化方法,并通过设计实例纠正了长期以来对以单一推进剂实现两级推力的几个认识误区,为这一新技术成果的应用奠定了基础。     

小功率氮电弧推力器的性能

采用自然辐射冷却结构的小功率电弧推力器,实现了以氮气为推进剂的长时间稳定运行。采用间接测力方法得到推力,利用铜镜反射法拍摄喉道处的放电状态,结合测量的弧电压、弧电流和气流量数据以及导出的比冲和推力效率,对推力器运行性能和放电特性进行了研究。结果显示:在气流量为100~700mL/min,输入功率为35~55W的条件下,最大推力约为24mN,最大比冲接近175s,当弧电流为80~120mA范围内变化时,弧电压变化范围为420~520V,并且弧电压随气流量的增加呈现出先下降后上升的趋势。      

主要几何参数对叶栅式反推力装置性能的影响

选取等厚叶栅进行数值模拟,采用混合网格生成技术,研究叶栅进口气流角、过渡段半径、叶片上下端轴向间距、稠密度和出口气流角对空气流量和轴向反推力的影响.计算结果表明:进口气流角、过渡段半径和叶片上下端轴向间距对风扇气流能否顺利导入叶栅起重要作用;稠密度影响着叶栅的出口面积和导流性能;出口气流角是反推力装置设计的关键因素,对反推性能起着决定性的作用.