两级入轨运载器RBCC动力系统内流道设计与性能计算

针对以火箭基组合循环(RBCC)发动机作为水平起飞两级入轨(TSTO)运载器第一级动力系统的方案,建立了进气道-燃烧室-尾喷管一体化流道耦合性能快速计算模型,初步设计了RBCC发动机一体化内流道。RBCC发动机使用变结构进气道,采用支板/凹腔相结合实现火焰稳定的燃烧室以及单侧膨胀尾喷管;应用经过校验的性能分析模型进行RBCC燃烧室性能快速计算;对比分析了性能分析模型与三维数值计算获得的发动机出口状态参数对于飞行器后体流场的影响性;完成了RBCC为动力的两级入轨方案飞行器动力系统的性能分析与计算;分析评估了飞行弹道条件下RBCC推进系统的性能。计算结果表明:飞行器起飞质量280t时,可以完成运送4t载荷进入近地轨道的任务。     

潜入式喷管喉衬界面间隙优化设计

为了解决固体火箭发动机潜入式喷管喉衬在热载荷与内压联合作用下界面间隙优化问题,数值模拟方法求解了喷管热结构响应。采用流体仿真软件,计算了潜入式喷管流动过程的稳态流场,获取了高温燃气流动参数与固体壁面对流换热系数。并采用三维有限元结构计算平台,编写了非均布壁面压力载荷与非均布对流换热系数子程序,求解了喉衬前后搭接界面间隙在0mm,0.05mm,0.10mm,0.15mm,0.20mm下喷管热结构耦合问题,获取了材料内部温度场与应力场分布。结果表明,喉衬环向压应力与拉应力都随时间增加,先增大后减小。其次,随间隙增大,喉衬拉应力先减小后增大,喉衬压应力先增大后减小。再次,依据界面闭合与喉衬环向受力最小的准则,确定了喉衬前后间隙的相对最优值,前间隙相对最优值0.10mm,后间隙相对最优值0.05mm。本文数值方法可为喷管热防护材料界面搭接与喉衬界面间隙设计提供指导,也可应用于评估喷管热防护与结构强度安全余量。     

收缩比对RBCC进气道影响数值研究

为研究火箭基组合循环发动机(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)进气道隔离段内激波串传播规律,本文利用数值模拟研究分析了在高、低反压作用下收缩比变化对激波串驻留位置及流动分离区范围的影响,并进一步开展了收缩比对进气道气动性能影响的仿真研究。研究结果表明：在承受额定反压作用下,进气道收缩比存在临界值,在临界值下提高收缩比能显著增强进气道抗反压能力,并影响激波串驻留位置。在临界值上提高收缩比对进气道抗反压能力无明显作用,进气道流动状态不受收缩比变化的影响。此外,提高收缩比能显著提高被捕获冲压空气流所承受的压缩程度,但会承受额外的空气流量损失和气动阻力。     

中心支板顶角对RBCC进气道影响数值研究

为研究中心支板顶角对火箭基组合循环发动机(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)进气道的影响,优化RBCC进气道设计方法,利用数值模拟对RBCC进气道开展了研究。分析了中心支板顶角变化对进气道内压缩段最小长度的影响,通过数值模拟对中心支板顶角变化对典型工况下进气道的流场特征和性能影响开展了定量及定性的研究。研究结果表明,增加支板顶角可以减小进气道长度(相比于Strut_1,Strut_2至Strut_5的隔离段长度分别减少47%,62%,70%,75%)和粘性阻力系数(相比于Strut_1,在Ma∞=1.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少33%,45%,55%,59%;在Ma∞=5.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少37%,50%,57%和61%),但并不影响进气道流量系数和流动均匀度。同时根据研究结果对进气道进行优化设计,能有效提高进气道的起动能力及其他性能参数,进气道的内、外压缩段阻力系数分别降低13.5%和5.7%,总压恢复系数和循环静温比分别提高2.6%和0.5%。     

铝基粉末燃料层流火焰传播速度实验研究

为研究铝基粉末燃料火焰传播特性,本文设计了气固两相本生灯型层流火焰实验装置,开展了铝基粉末燃料层流火焰传播速度的实验研究;获得了气流流速、颗粒相浓度等因素对空气中铝颗粒层流火焰传播的影响规律,并研究不同级配比例下的铝基粉末燃料的火焰传播性能。研究结果表明：在相同颗粒浓度条件下,提高气流速度会显著增加铝基粉末燃料层流火焰传播速度;在相同气流速度条件下,铝基粉末燃料层流火焰传播速度在铝颗粒浓度接近600 g/m³时达到最大值,而当铝颗粒浓度过低时,层流火焰无法稳定传播;此外试验结果还表明,利用中小粒径颗粒填充大颗粒间的孔隙,能显著提高铝基粉末燃料层流火焰传播性能。     

RBCC进气道喉道及唇口调节数值研究

为提高发动机在宽马赫域下的工作性能,针对中心支板式火箭基组合循环发动机(Rocket Based Combined Cycle,RBCC),开展了变几何进气道方案设计,通过数值模拟研究了喉道高度调节方案中进气道的流场特征,进一步分析了喉道高度调节方案和唇口位置-喉道高度协同调节方案在性能上的区别,并分析了唇口位置调节对变几何进气道起动性的影响。研究结果表明:喉道调节方案在兼顾亚燃、超燃模态性能需要的同时,能保证进气道在Ma_∞=2.4前顺利起动;而喉道-唇口调节方案能进一步降低进气道起动马赫数,使进气道在Ma_∞=1.6前起动,同时能减少进气道的总压损失,并能提高进气道在部分非设计点下的流量系数。相比于喉道调节方案,喉道-唇口调节方案在Ma_∞=3,4,5下的流量系数分别提高了15.1%,40.3%和15.9%。     

总收缩比对RBCC进气道影响数值研究

为研究火箭基组合循环发动机（Rocket Based Combined Cycle，RBCC）进气道隔离段内激波串传播规律，利用数值模拟研究分析了在高、低反压作用下总收缩比变化对激波串驻留位置及流动分离区范围的影响，并进一步开展了总收缩比对进气道气动性能影响的仿真研究。研究结果表明：在承受额定反压作用下，进气道总收缩比存在临界值，在临界值下提高总收缩比能显著增强进气道抗反压能力，并影响激波串驻留位置。在临界值上提高总收缩比对进气道抗反压能力无明显作用，进气道流动状态不受总收缩比变化的影响。此外，提高总收缩比能显著提高被捕获冲压空气流所承受的压缩程度，但会承受额外的空气流量损失和气动阻力。