氧化亚氮双组元发动机热力性能计算分析

对绿色推进剂N2O,H2,CH3OH,C2H5OH,CH4,C2H6,C2H4,C2H2,C3H8及C3H6的物性进行了全面比较,并采用吉布斯最小自由能法对9种氧化亚氮双组元推进剂组合的热力性能展开全面计算及分析。N2O/H2组合由于其最低的燃气平均摩尔质量而具有最高的比冲;N2O/C2H2组合由于C2H2很高的标准生成焓其燃烧温度可高达3823 K;碳氢燃料在余氧系数α<0.4富燃工况下燃气中含有固碳颗粒,且摩尔含量随着α的降低而急剧升高,喷管出口处可高达35%～40%;N2O/C3H8和N2O/C3H6组合拥有很好的空间应用物性和较高的热力性能,在压比pc:pe=70 atm:1 atm工况下平衡流比冲分别为2 639 m/s和2 656 m/s,具有很好的应用前景。     

氧化亚氮推进技术研究进展

随着环境保护的加强,人们越来越希望找到一种绿色推进剂来代替现有的肼类有毒推进剂.氧化亚氮作为一种绿色推进剂,无毒性,地面实验操作处理方便,不需要繁琐昂贵的防护;常温贮存性,贮箱几乎不需要主动热控制;饱和压力高,可采用自增压方式供应推进剂;绝热分解温度较高,可作为单组元和双组元发动机的推进剂.分析了氧化亚氮作为推进剂的性能及其主要应用领域,着重研究其在液体火箭发动机的应用.通过对氧化亚氮自增压供应系统,单组元推进的催化分解系统,克服催化床限制的氧化亚氮与燃料混合的NOFBXTM技术,以及氧化亚氮作为氧化剂的双组元推进系统的国内外研究进展进行综述,指出当前研究工作中存在的问题,以期为该方面的进一步研究提供一定的参考.     

双组元25N推力器脉冲工作模式下的传热特性分析及改进

在离心式双组元25N推力器的脉冲工况温度稳定性试验中,有16%的工况均发生了推力器稳态温度跃迁导致的喷注器头部高温过热的问题。本研究针对该问题开展了深入的机理分析,并通过优化推力器局部传热特性以消除其对于特殊脉冲工况的应用限制和风险。通过液滴撞壁试验,分析了不同条件下推进剂液膜发展的规律和机理:一旦壁面温度达到了莱登弗斯特温度以后,液滴与壁面的换热能力将大幅下降,严重影响液膜冷却的效率。通过Amesim软件进行的传热仿真进一步表明,一旦因为热回浸现象导致雾化液滴与涂层壁面的作用机制发生变化,进而影响冷却液膜的形成,就会使推力器的温度分布从正常的第一稳态进入无液膜的第二高温稳态。仿真结果基本复现了热稳定性试验中出现的故障模式。针对该故障机理改进了喷注器的结构导热性,将喷注器的花篮连接结构的导热面积增加了1.5倍,可以有效分担液膜的热流负担,抑制液膜进入莱登弗斯特态,使得推力器的脉冲工作可靠性大幅提高,令温度稳定性试验的通过率提升至100%。     

小卫星上的低成本40N过氧化氢/煤油双组元推力室研究

未来的小卫星将需要高性能的双组元推进系统,传统自燃推进剂由于其毒性和复杂的使用维护要求而使得成本极高.采用绿色推进剂可以降低使用成本,同时又能提供和传统自燃推进剂相当的性能.该文介绍了推力40N挤压式HTP(高浓度过氧化氢)/煤油双组元推力室的设计和加工.采用简单的喷注器结构,特征速度效率在90%～92%范围内.设计的新型冷却系统采用过氧化氢分解气体作为冷却剂,提高了密度比冲.发动机采用标准材料,以减少设计开发和制造成本.采用占总流量16%的过氧化氢分解产生气膜来冷却喷管,已经得到验证可适应连续工作的要求.采用上述方案,估计获得实际真空比冲2577m/s是可能的.     

微型推进系统技术方案研究

将微机电系统(MEMS)技术应用于微推进系统可以降低成本，减少风险，并可满足微型航天器对性能、体积和质量等的特殊要求。本文针对微电热推力器(FMMR)和微型双组元液体火箭发动机的技术方案进行研究，采用直接蒙特卡罗(DSMC)方法，对影响FMMR工作特性的因素进行了研究，并对其进行了性能评估；应用商用FLUANT软件，计算并分析了二维喷管流场的附面层情况；对无毒液体推进剂进行点火试验选择。研究结果表明，对于FMMR当采用H2O作为推进剂工质，比冲为68．247s，推力为0．225mN，效率为52．6％。通过采取其它措施可以进一步提高比冲、推力和效率。对于微型双组元液体火箭发动机，采用醇类作燃料时，起动平稳、响应时间短。通过系统集成和一体化设计，微推进系统在未来微型航天器上具有广阔的应用前景。     

卫星闭环姿控下的双组元四贮箱液体晃动联合仿真研究

首先介绍了基于UDP通讯协议实现的贮箱液体晃动联合仿真方法.该方法采用FLUENT计算运动贮箱的液体晃动力、力矩、质心结果,星体动力学程序在获取贮箱晃动结果后通过控制算法和策略计算星体运动的线速度和角速度.两者之间的双向数据交换,通过C/C++语言开发的通讯接口来实现.然后借助上述联合仿真方法,开展了贮箱晃动联合仿真分析,并与在轨遥感数据进行了对比,然后分析了俯仰0~25°机动工况的4贮箱液体晃动特性,最后对比分析了带孔和无孔叶片在星体动力学控制下的液体晃动特性.非沿轨迹工况下,2、3号贮箱的晃动力和力矩峰值大于1、4号贮箱,4个贮箱的Y向晃动力峰值在1.05~1.96 N,力矩值在0.05~0.36 N·m;带孔叶片对液体的搅动作用要弱于无孔叶片.无孔叶片搅动的气泡出现了明显的拉伸与离心运动,并导致更大的流体流动速度.     

双组元离心式喷注器的喷雾特性初步研究

利用激光粒子动态分析仪研究了某型双组元离心式喷注器的稳态和脉冲喷雾特性.用去离子水代替推进剂,测量了喷雾场不同截面上液滴的三维速度、平均直径和浓度分布.实验结果表明,内外喷嘴产生的两股液雾相互汇合在一起,液雾的运动速度、平均直径、浓度分布体现了空心锥喷雾的特点.脉冲喷雾与稳态喷雾轴向平均速度、脉动速度的分布特点是相同的,但在喷雾中心区域内脉动速度大于平均速度.脉冲喷雾时喷雾中心区域液滴直径分布很不均匀,平均直径的值在某个值附近脉动, 这是由于难以形成稳定而连续的液膜造成的.随着脉冲时间的减少,液雾速度和平均直径的不均匀性增强.研究结果可作为喷注器设计和喷雾数值模拟的参考.     

双组元离心式喷注器的喷雾特性初步研究

利用激光粒子动态分析仪研究了某型双组元离心式喷注器的稳态和脉冲喷雾特性。用去离子水代替推进剂,测量了喷雾场不同截面上液滴的三维速度、平均直径和浓度分布。实验结果表明,内外喷嘴产生的两股液雾相互汇合在一起,液雾的运动速度、平均直径、浓度分布体现了空心锥喷雾的特点。脉冲喷雾与稳态喷雾轴向平均速度、脉动速度的分布特点是相同的,但在喷雾中心区域内脉动速度大于平均速度。脉冲喷雾时喷雾中心区域液滴直径分布很不均匀,平均直径的值在某个值附近脉动,这是由于难以形成稳定而连续的液膜造成的。随着脉冲时间的减少,液雾速度和平均直径的不均匀性增强。研究结果可作为喷注器设计和喷雾数值模拟的参考。     

喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为，及其对发动机燃烧和传热的影响，进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验，使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况，包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度，证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果，分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型，并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析，通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比，验证了该模型具有更高的准确性。     

双组元150N发动机头部热控组件温度适应性研究

为获得双组元150N发动机头部热控组件在低温工况下的加热能力以及发动机长程点火期间头部热控组件各处的温度分布、性能变化，应用有限元分析软件I-DEAS/TMG在给定的温度边界条件下进行了仿真分析，分别获得了低温工况下头部稳态平衡温度以及发动机长程点火期间头部瞬态温度。搭建了试验装置，通过电热炉对头部烘烤，设定控温点为400℃，恒定时间45min，获得了头部热控组件各处的温度分布及加热器阻值的变化。通过仿真计算和地面试验，得出以下结论：（1）热控组件能保证发动机在最恶劣低温工况下温度高于0℃；（2）在地面试验工况包络发动机在轨最长工作时间2500s的情况下，包含加热器、热敏电阻、导线等在内的热控组件均处于有效工作状态，为热控组件的高温耐受能力提供了有力支撑。