先进火箭仿真中心Rocstar程序概述

数值仿真是固体火箭发动机研制的一个重要手段。美国伊利诺斯大学先进火箭仿真中心开发的多物理场仿真程序Rocstar,可对固体火箭发动机工作过程进行三维多物理场耦合仿真计算,其程序代码现已开源。Rocstar由多个物理应用求解器和一套强大的集成框架组成,集成框架能够使独立运行的应用求解器在很小的改动下即可与其直接耦合。此外,集成框架还包含一系列用于多场耦合的服务工具,包括并行I/O、精确和守恒的数据传输、网格自适应、界面演化和整体并行配置。Rocstar采用MPI实现并行仿真,可在集群平台上进行大规模的仿真计算。     

水反应金属燃料在水蒸气环境下的稳态燃烧特性

为探索高金属含量水冲压发动机的稳态燃烧机理,开展了镁基高金属含量水反应金属燃料在水蒸气氛围下的稳态燃烧试验研究,燃料中金属镁含量高于70%.采用直径0.5 mm的K型热电偶测量燃料燃烧波曲线,并拍摄了火焰图片.结果显示,工作压强2.0 MPa时,燃料稳态燃烧的燃面温度约为900.1℃,气相平衡火焰温度约为1 214.9...     

固体火箭冲压发动机技术研究进展

近年来,固体火箭冲压发动机获得飞快发展,本文综述了其技术研究进展,为后续固体火箭冲压发动机技术及相似技术的发展提供借鉴。主要介绍了固体火箭冲压发动机的燃气流量调节技术、贫氧推进剂技术、高效燃烧组织技术、转级技术等关键技术。总结发现国内外关键技术已取得了较全面突破,逐渐进入工程实用阶段,但燃烧基础问题研究不足。因此,有必要进一步深入开展推进剂细观燃烧、多相湍流燃烧、金属颗粒燃烧等基础科学研究,进而促进固体火箭冲压发动机技术发展。     

基于数字同轴全息的铝颗粒燃烧粒度分布研究

铝颗粒的团聚效应会对固体推进剂燃烧造成不良影响,产生积渣、两相流损失等问题。为掌握铝颗粒的团聚机理,了解初始铝颗粒尺寸以及压强对铝团聚的影响,以优化推进剂配方及粒度级配,有必要对三维空间内铝颗粒的粒度分布进行研究。为解决传统检测方法的景深问题,采用了数字同轴全息（DIH）技术,并用普通镜头搭配4f透镜组取代长焦显微镜头构建了成像系统。实验一方面对两种具有不同初始粒径的推进剂A和B进行燃烧测量,另一方面对推进剂B分别在0.1,0.2,0.3MPa三种不同压强下的燃烧进行了测量,然后通过全息重建以及图像处理技术得到了燃烧铝颗粒的粒径信息,相对测量误差在9%以内,最后采用Normal和Log-Normal多峰拟合获取了粒度分布的详细参数。对比实验结果发现,常压下铝团聚体的尺寸随着初始铝粉粒径减小而减小;随着压强增大,铝团聚物的尺寸逐渐变小,体积概率密度逐步由双峰分布变为单峰分布,说明压强升高对于铝团聚有抑制作用。     

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室试验研究

以含硼贫氧固体推进剂为燃料,对带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型首次开展了地面直连试验研究。试验模拟了23km,5.5Ma的飞行工况,通过测量压强、推力和流量等参数,得出了燃烧室性能。试验结果表明：一次富燃燃气在燃气发生器喉部沉积导致燃气流量持续提高,试验过程中当量比由0.44逐渐增加至0.54;本文所研究的凹腔稳焰结构提高了富燃燃气中气相可燃组分的燃烧效率,但对于凝相颗粒燃烧的促进效果不明显;试验工况下发动机总燃烧效率约48%,高空比冲约为423s,高于文献中所报道的中心支板喷射稳焰的固体火箭超燃冲压发动机试验比冲性能。     

固体超燃冲压发动机燃烧模态转换研究

对固体超燃冲压发动机的模态转换现象和燃烧室工作特性开展了地面直连试验和数值模拟研究。试验在Ma=6,25 km的条件下实现燃烧模态由超燃转换为亚燃，再转换为超燃的动态变化。数值模拟获得了对应燃烧模态下发动机燃烧室的流场参数变化及工作特性。将隔离段出口马赫数作为燃烧模态判别准则，基于隔离段绝热假设计算出隔离段出口马赫数，实现发动机燃烧模态的实时判别，并通过数值模拟结果验证了该方法的可行性。试验结果表明，改变燃料喷注方式能够实现燃烧模态的变化，亚燃模态下的性能明显高于超燃模态。数值结果表明，发动机隔离段及燃烧室内激波强度和位置受到横向射流与燃烧释热的共同影响，且不同燃烧模态下影响激波的主要因素不同。发动机燃烧室工作在亚燃模态下的性能最佳，总压恢复系数为0.44,总燃烧效率为0.79。其中，亚燃模态下硼颗粒和碳颗粒的燃烧效率分别为0.78和0.65。