电磁阀式两相脉冲爆震火箭发动机试验

为了提高脉冲爆震火箭发动机的工作频率,设计了一台内径30mm,长度1000mm的电磁阀式脉冲爆震火箭发动机模型.脉冲爆震火箭发动机模型采用航空煤油为燃料,压缩氧气为氧化剂,压缩氮气为隔离气体,通过选用高速大流量电磁阀,加热燃料,安装Shchelkin螺旋等方法,使得该模型能够在20～30Hz频率下多循环稳定工作.工作频率为30Hz时,爆震波峰值压力达到2.2MPa.脉冲爆震火箭发动机的时均推力随着工作频率的提高接近线性增大.      

双管脉冲爆震火箭发动机实验研究

为研究双管脉冲爆震火箭发动机共同工作的协同性,以航空煤油和氧气作为燃料和氧化剂,基于双管脉冲爆震火箭发动机系统进行了单管单独工作与双管同时工作的实验,工作频率范围为5～25Hz,对压力和推力的测量结果表明,双管同时工作对单管稳定工作几乎不会产生影响;推力测量数据显示,相同工况下,双管同时工作产生的推力与两单管单独工作产生的推力之和基本相等,无论单管还是双管,在5～15Hz频率范围内,平均推力基本上线性增加,在15～25Hz频率范围内,平均推力增加逐渐趋缓。     

脉冲爆震火箭发动机试验

采用航空煤油／氧气为推进剂的脉冲爆震火箭发动机（PDRE）试验模型，进行了有关两相爆震起爆、稳定可控工作、爆燃向爆震转变机理、PDRE可爆范围、加与不加尾喷管时性能测试等方面的实验研究。结果表明，设计的PDRE模型能实现稳定、可控、高频工作，性能接近理论值。各种尾喷管均具有性能增益，其中以收敛喷管增益最大，达18％。     

Experimental Investigation on Performance of Pulse Detonation Rocket Engine Model

The PDRE test model used in these experiments utilized kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer, and nitrogen as purge gas. The solenoid valves were employed to control intermittent supplies of kerosene, oxygen and purge gas. PDRE test model was 50 mm in inner diameter by 1.2 m long. The DDT （deflagration to detonation transition） enhancement device Shchelkin spiral was used in the test model. The effects of detonation frequency on its time-averaged thrust and specific impulse were experimentally investigated. The obtained results showes that the time-averaged thrust of PDRE test model was approximately proportional to the detonation frequency. For the detonation frequency 20 Hz, the time-averaged thrust was around 107 N, and the specific impulse was around 125 s. The nozzle experiments were conducted using PDRE test model with three traditional nozzles. The experimental results obtained demonstrated that all of those nozzles could augment the thrust and specific impulse. Among those three nozzles, the convergent nozzle had the largest increased augmentation, which was approximately 18%, under the specific condition of the experiment.     

变截面脉冲爆震火箭发动机实验研究

在8Hz频率下,以煤油为燃料,氧气为氧化剂,当量比为1．0的条件下,进行了变截面脉冲爆震火箭发动机的实验研究,其中包括等截面发动机,扩张型发动机,收敛型发动机,扩张一收敛型以及收敛一扩张型发动机。总结出了发动机横截面积变化影响爆震波传播的一些规律,得到了横截面积变化对发动机平均推力的影响。     

两相脉冲爆震涡轮发动机原理性试验

为验证脉冲爆震涡轮发动机（PDTE）的可行性,建立了PDTE原理性试验系统,主要由脉冲爆震燃烧室、离心压气机和向心涡轮等组成.以汽油为燃料,空气为氧化剂,开展了PDTE原理性试验研究.试验结果表明:爆震燃烧室、压气机与涡轮三者能够协调工作,发动机能够在自吸气模式下长时间稳定连续工作,发动机工作频率最高达18Hz.研究中所采用的气动阀对爆震反传压力波具有很好的衰减作用,低频下衰减效果更为明显,发动机工作在6Hz时压力波峰值可衰减93.8%,在18Hz时衰减幅度降为78.4%.反传压力的降低有利于爆震燃烧室与压气机之间的匹配工作,同时可缩短反传距离,有助于提高发动机工作频率.      

脉冲爆震火箭发动机的原理性试验

阐述了脉冲爆震火箭发动机(PDRE)性能特点、结构和工作过程。采用航空煤油为燃料,氧气和压缩空气为氧化剂,分别进行了两相脉冲爆震火箭发动机原理性试验,所测得的爆震波压力接近充分发展的理想爆震波压力,说明采用煤油作为脉冲爆震火箭发动机的燃料是可行的。     

喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能影响的试验研究

为了研究喷嘴位置对脉冲爆轰发动机性能的影响,设计加工了直径为80mm的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机（PDE）,在PDE文氏管内不同位置安装喷嘴,进行了冷态雾化和热态燃烧转爆轰试验,分析了马尔文激光粒度仪测得的液滴尺寸分布和动态压力传感器测得的信号。试验结果表明：喷嘴的安装位置对脉冲爆轰发动机的性能具有显著影响;喷嘴安装在文氏管喉部时爆轰管内雾化混合效果最好,爆轰波峰值压力最大为3．5 MPa,工作频率最高为30Hz;喷嘴安装在文氏管入口时爆轰管内雾化混合效果最差,爆轰波峰值压力最小为0．9MPa,工作频率最低为15 Hz;在试验范围内,改善雾化混合效果有利于提高脉冲爆轰发动机的工作频率。研究结果对脉冲爆轰发动机的设计具有参考价值。     

脉冲爆震火箭发动机高频实验研究

为了研究脉冲爆震发动机的高频工作特性,以航空煤油和压缩氧气为推进剂,采用爆震增强装置,增大推进剂供给压力以及增大电磁阀控制气压力等措施,在脉冲爆震火箭发动机模型上进行了实验,成功获得45Hz时的爆震压力波形。实验结果表明,频率增高,爆震波峰值压力下降,有利于加速缓燃向爆震的转变(Defla-gration to Detonation Transition,DDT)。当爆震充分发展时,爆震波波速基本不变,峰值压力上升时间趋于定值。工作频率为45 Hz时,爆震波峰值的压力为3.2 MPa,爆震波的波速为1 715.5m/s。     

无阀式脉冲爆震火箭发动机运行稳定性实验

以无阀模式运行时,脉冲爆震火箭发动机可达到更高的运行频率,但容易出现连续燃烧、点火不成功以及运行频率与点火频率不一致等运行不稳定问题。为探索供给条件对运行稳定性的影响,采用乙烯为燃料、富氧空气为氧化剂,开展了实验研究,分析了氧化剂中氧气体积分数对运行稳定性的影响。结果表明,采用氧气体积分数分别为40%和66%的氧化剂时,当量比范围分别为1.2~1.7和0.8~2.3时才能产生稳定的爆震波;采用氧气体积分数66%的氧化剂时,可获得稳定爆震波的当量比范围较宽;稳定产生爆震波时,爆震管封闭端附近的压力振荡会向供给通道的上游传播,造成通道内介质的流动振荡,振荡频率与运行频率呈倍数关系;爆震波不稳定产生条件下,供给通道内的流动振荡表现为无规律的低频振荡,该振荡加剧了无阀无隔离模式运行的不稳定,故有必要在供给通道内加装压力反传抑制装置。     

中心锥体结构脉冲爆震火箭发动机初步实验

为了改善采用液态燃料的脉冲爆震火箭发动机内部燃料的雾化以及燃料混合物的掺混状况,采用了一种中心锥体结构.该结构发动机不采用Shchelkin螺旋增爆装置,而采用中心锥体结构、二级供应方式.采用航空煤油为燃料、压缩氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,在该结构脉冲爆震火箭发动机上获得了充分发展的爆震波并且能够在多循环条件下稳定工作.实验结果表明,该结构可以大大缩短DDT(deflagration to detonation transition)距离,在实验条件下爆燃向爆震转变距离约为管径的5倍.较之同一管径采用Shchelkin螺旋增爆装置的脉冲爆震火箭发动机,该结构发动机的爆燃向爆震转变距离缩短了57.5%.      

气氢/气氧喷注器流量特性实验

针对热试实验所用的两种典型结构气氢/气氧喷注器,开展了不同反压下的流量特性实验.重点考察了燃料喷嘴对氧化剂喷嘴流量特性的影响和压降变化对喷嘴流量特性的影响.研究结果表明:反压从0.2～4 MPa的范围内变化时,双路同时工作时氧化剂喷嘴的流量系数要大于其自身单路工作时的流量系数;氧化剂喷嘴和燃料喷嘴的流量系数均随压降的增大而增大,并且增长趋势逐渐平缓.所得结论对气-气喷注器的设计和改进具有重要意义.      

自燃推进剂火箭发动机稳态燃烧过程的数值模拟

研究了自燃推进剂火箭发动机的稳态燃烧过程。用一甲基肼作燃料，四氧化二氮为氧化剂，考虑了液滴的雾化机理和高压分解燃烧。将ＰＩＳＯ算法应用于任意曲线坐标下，在计算中采用非交错网格技术抑制了压力振荡。成功地获得了发动机燃烧过程的流场参数。     

烃类燃料的能量特性

本文对烃类燃料的能量特性进行了分析比较.三种烃(CH_4、C_3H_8、RP-1)分别同液态氧组合,其中含氢较高的CH_4具有最高的比冲和较低的燃烧室温度,其燃烧产物中固炭量低于C_3H_8与RP-1.三种烃分别同液态氧组合的比冲均高于O_2/C_2H_5OH与N_2O_4/(CH_3)_2NNH_2.本文还指出了烃同液氧组合比冲随α与p_c变化的关系.最后,对烃类燃料性能改进问题进行了论述.结果表明,将一定量的液氢加入烃中混合燃烧可提高比冲,减少低α条件下燃烧产物中固态炭量.另一方面,通过加液氢还可使燃气发生器工质的R_cT_c值提高.     

考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明：起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。     

脉冲爆震发动机管壁废热加温燃油实验

在内径为110mm的大管径脉冲爆震发动机模型上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,进行了脉冲爆震发动机不同爆震频率的管壁换热实验.实验结果发现利用管壁废热加温燃油可以提高燃油的温度,改善爆震性能并缩短爆燃到爆震的转捩(DDT)距离,也能够有效地降低发动机的管壁温度.当发动机工作在20Hz时,管壁温度最大可以降低94℃.      

两相爆震波多管同步点火技术的实验研究

为了研究基于液态燃料的爆震波点火技术,进行了一系列液态煤油/氧气爆震波点火实验。实验中氧气和煤油的供给压力分别为1.0 MPa和0.7 MPa,火花塞点火能量为50 mJ。研究了两相爆震波点火技术的基本特性,实验表明:采用低点火能量能够快速产生充分发展的爆震波,煤油/氧气爆震压力可达4.0 MPa,爆震波速度可达1500 m/s到2001 m/s,尾焰温度约为2075 K。开展了两相爆震波由单管向多管传播的实验,验证了两相爆震波多管点火技术的可行性,目前可实现四管同步点火。实验显示两相爆震波点火技术重复性强,多管点火具有较好的同步性,时间差别为几十个微秒量级,适用于多燃烧室液态火箭发动机的同步点火。     

Periodic atomization characteristics of simplex swirl injector induced by klystron effect

The atomization dynamic characteristics of a simplex swirl injector was investigated experimentally by using a hydrodynamic mechanical pulsator and the shadow photography technique. The frequency response characteristics of the fluid film and atomization fluctuations and their correlations with pressure fluctuations were obtained by using an in-house code of image processing. It is demonstrated that the klystron effect induced by periodic pressure fluctuations results in periodic liquid film fluctuation with large amplitudes, periodic superposition of droplets and reduction of the breakup length. It was found that the atomization of the simplex swirl injector only responds to the pressure fluctuation in frequency range approximately from 0 to 300 Hz, and it is particularly sensitive to pressure fluctuations at frequencies from 100 to 200 Hz. According to this experiment, the responsive frequency limitation is merely affected by injector configuration, rather than the supply line.     

Nitrous oxide cooling in hybrid rocket nozzles

The Department of Mechanical Engineering at the California Polytechnic State University, San Luis Obispo, has developed an innovative program of experimental research and development on hybrid rocket motors (where the fuel and the oxidizer are in different phases prior to combustion). One project currently underway involves the development of aerospike nozzles for such motors. These nozzles, however, are even more susceptible to throat ablation than regular converging–diverging nozzles, due the nature of their flow expansion mechanism. This paper presents the result of a recent development project focused on reducing throat ablation in hybrid rocket motor nozzles. Although the method is specifically targeted at increasing the life and operating range of aerospike nozzles, this paper describes its proof-of-concept implementation on conventional nozzles. The method is based on a regenerative cooling mechanism that differs in practice from that used in liquid propellant motors. A series of experimental tests demonstrate that this new method is not only effective at reducing damage in the most ablative region of the nozzle, but that the nozzle can survive multiple test runs.     

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.