大推力速燃火箭发动机蜂巢状装药的设计与理论分析

针对速燃火箭发动机大推力短燃时的特点,提出一种满足此要求的新型装药——蜂巢状装药,并对该药型的内弹道特性、燃面规律和力学特点作出了定性和定量分析,对速燃发动机的装药设计有一定的借鉴意义。     

侵蚀燃速辨识

本文将控制论中的辨识技术用于确定固体推进剂火箭发动机装药的侵蚀燃速关系式,对燃速辨识方法作了较为全面和详细的研究.通过对假想发动机作燃速辨识,对该方法的可行性作了充分的论证.用燃速辨识法对真实型号的发动机作了侵蚀燃速辨识,获得了同一发动机装药在不同初温下侵蚀燃速关系式.由于燃速辨识仅需利用一条发动机试车压力一时间曲线,并且在电子计算机上用最优化方法给出结果,因而该方法具有迅速、经济、准确等优点,能更实际地研究固体火箭发动机工作状态下的装药侵蚀燃烧特性.而且便于观察过去实验研究做得较少的初温对侵蚀燃速的影响.这是一种在工程应用上确定装药侵蚀燃速的切实可行的方法.     

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.      

旋转固体火箭发动机一维内弹道计算

给出了带“锥－柱形”装药的旋转固体火箭发动机的一维内弹道计算方法，其燃速计算采用分析方法，喷管流量采用等熵旋转喷管流的简化方法。所得结果和旋转试车台上实测的实验结果吻合较好，计算和实验表明，“锥－柱形“装药呈现较大速度效应。文中提供了计算方法具有较高预示精度，可推广到其它药型旋转发动机的内弹道计算，对旋转发动机设计具有指导作用。     

利用锥形内孔装药发动机和燃速辨识方法确定推进剂的基本燃速

通过锥形内初装药发动机试验的压力-时间曲线,利用燃速辨识方法获得了高低两个压强范围装药的基本燃速表达式,比较了考虑c~*、k随燃烧室压强P变化和不考虑其变化所得的基本燃速表达式及其对内弹道予示的影响.结果证明,用本方法获得的燃速比燃速仪获得的燃速高5～8%,预示的内弹道曲线也与发动机实测曲线基本吻合.     

固体火箭发动机旋转对燃速的影响

从实验和理论两方面探讨了固体火箭发动机旋转对燃速的影响。对含铝复合推进剂在试片发动机、全尺寸装药发动机工作状态下旋转对燃速的影响进行了研究, 获得了大量实验数据。得到以下几点结论:铝粉含量相同时, 燃速敏感性随铝粉粒度增大而增大;铝粉粒度相同时, 燃速敏感性随铝粉含量增大而增大;高燃速推进剂加速度阀值高, 燃速敏感性小。      

无喷管发动机燃速特性的实验研究

针对无喷管发动机的工作特点,采用二维片型装药实验方案,对高燃速含铝丁羟复合推进剂做了相当数量的试验来研究其燃速特性.试验参数的选择应用正交设计法.在此试验的基础上,参照有关的燃烧理论,得出了适合无喷管发动机工作特点的固体推进剂的实际燃速表达式.     

无喷管固体发动机装药技术研究

为提高无喷管发动机的比冲，从装药角度研究了在低燃速推进剂配方中加入短纤维以提高推进剂的抗冲刷性能，采用装药＂喷管＂收敛段的倒锥形造型技术及两种不同燃速推进剂的同心层装药，使无喷管发动机的比冲稳定在１８８２．０～１９８９．０Ｎ·ｓ／ｋｇ，满足了预定要求。与有喷管同类型发动机的内弹道性能比较，无喷管发动机的总冲量达到相当高的水平。     

爆燃脉冲发动机内弹道模拟及实验分析

为了研究质量轻便、结构紧凑的固体冲量发动机,提出以微气孔球形推进剂作为能量材料,以对流爆燃形成高内压为模式的脉冲动力方案。通过分析不同推进剂密度、长度、点火药量和膜片形式等因素,得到了大喉燃比发动机中球形装药爆燃诱导条件;根据球形装药爆燃特性,通过数值模型研究了新型爆燃冲量发动机的内弹道与流场特性。结果表明：装药长度、装药密度和点火药量均对发动机中爆燃现象出现有明显影响,较长装药,较小装药密度和较大点火药量均利于诱发对流爆燃;微气孔球形药在发动机燃烧室内燃速与压力规律以分段的指数燃速形式出现;初步论证一体式爆燃脉冲发动机的实用潜力。     

定量插管浇注工艺装置

国内近年来开展的战术固体火箭单室双推力发动机的研制工作,已经取得了较好的成果。单室双推力发动机具有两种燃速不同推进剂呈前后串联排列、两段装药在助推段工作期间同时燃烧后,续航段继续工作。因此,可以获得两级推力。发动机的两级推力是采用燃速不同推进剂与改变燃面相结合的方法来实现的(即调节Ⅰ、Ⅱ级装药量)为确保发动机装药结构完整性和发动机工作可靠性,从装药工艺上提出如下要求:     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

固体火箭发动机实际燃速常数的计算

根据试车数据，对全尺寸发机和标准发机瞬时燃速进行了计算，利用参数辨识技术，确定了维也里燃公式（ｒ＝ａｐ＾ｎ）里的常数，计算结果表明：对应用在不同发动机中的同一种推进剂来说，其燃速系数α和压强指数ｎ是不同的。探讨了不同发动机燃速常数变化的原因以及规律性，提供了分析全尺寸发动机，标准发动机之间燃速相关性的新方法。     

装药限燃包覆层脱粘和裂缝燃烧故障效应的试验研究

用模拟试验研究各种脱粘和裂缝燃烧对发动机造成的故障效应,为故障诊断和失效分析提供依据。自由装填限燃包覆层装药的脱粘燃烧,造成燃面增大和由于压力升高造成的燃速指数增大效应;具有贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧,还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。浅裂缝燃烧只是造成燃面增大的效应;而深裂缝装药燃烧,还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。无论是贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧或是深裂缝装药燃烧,均会在发动机点燃的初期,产生十分强烈的压力峰,如果燃烧室的安全裕度不是特别大,则会在发动机点燃后的短暂时间内发生爆炸。     

变容腔燃烧室的不稳定性分析

随着装药的燃烧,固体火箭发动机燃烧室容腔不断地扩大,质量补充的注入速度也受到装药燃速的影响。本文利用Van Moorhem最近提出的平均处理法,从理论上定性分析了一维管流通道随时间变化和燃烧边界的运动对燃烧室不稳定性的作用。     

药柱制造工艺对固体发动机燃速的影响

结合某固体发动机的研制，利用数理统计方法，将两种药柱制造工艺（带芯浇注工艺与插芯工艺）对其燃速的影响作了分析。结果表明，在－40℃下，两种工艺状态下的平均燃速有显著差别。     

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性试验

为研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,进行了直流与旋流对比直连式试验。固体装药内径40mm,长180 mm,成分为HTPB中加入65%的金属粉末。试验发动机采用火炬式点火器点火,空气由燃烧补氧式空气加热器加热至690 K,热空气流量300 g/s。试验测量了压力、推力等参数,使用监控录像对发动机尾焰进行拍摄,通过测量试验前后装药质量差获得固体燃料平均燃速。旋流试验未将旋流器伸入燃烧室即实现了火焰稳定,且旋流燃烧比直流燃烧表现出更好的稳定性,平均燃速较直流提高近50%。旋流燃烧尾焰存在明显的径向扩张,表明尾焰仍有切向动量,损失了部分推力。     

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.     

动态横向过载对固体火箭发动机内弹道的影响

为研究动态横向过载下固体火箭发动机（SRM）的内弹道特性，进行了某三组元复合推进剂在-50g～50g过载加速度下的燃速测量，结合Greatrix多参数模型建立了该推进剂的过载燃速模型；基于此模型，对管型内孔燃烧装药进行了横向过载下的燃面退移模拟，建立了动态横向过载下大长径比发动机的内弹道计算模型。结果表明：过载对该推进剂燃速影响存在一个角度阈值，负角度过载影响很小；瞬间一个横向过载会使燃烧室压强发生跃迁，在100g过载下，压强增加8%左右，过载消失，压强骤降；若受横向过载时间间隔一定，100g过载下导弹后作机动飞行（t=12～15 s）比先机动飞行（t=3～6 s）压强变化幅值小1%，对飞行更有利。     

织女－3主发动机的辨识仿真

织女－３探空火箭飞行试验与地面试验的主发动机喉径不同，提出了用辨识仿真方法提供弹道计算所需的推力数据。利用唯一的一发有效地面实验数据，以系统辨识法确定发动机工作时推进剂的基础燃速，沿金属丝燃速，综合因子和喉径的变化规律，再确定喷管效率，最后用内弹道计算和性能计算方法确定飞行发动机的地面推力数据。飞行试验表明，计算弹道与飞行试验弹道相吻合。     

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.