燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超音速空气流的补燃室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

基于化学动力的强迫对流下硼粒子的燃烧特性

系统研究了固体火箭冲压发动机燃烧室内强迫对流下的硼粒子燃烧特性,考虑详细的化学动力学机理和气相凝结过程,建立了强迫对流下硼粒子燃烧特性物理数学模型;采用有限体积法求解含组分反应和输运过程的二维轴对称控制方程组,并验证了数值求解方法的正确性。研究了来流相对速度、硼粒子的半径、环境压力、氧气质量分数、环境温度等因素对强迫对流下硼粒子燃烧特性的影响,并详细分析了各因素的作用机制。研究结果表明,强迫对流下的硼粒子多组分燃烧火焰呈轴对称结构;当来流相对速度、粒子的半径、环境压力、环境中氧气质量分数增加时,硼粒子总的燃烧反应消耗速率加大;当硼粒子远离熄火边界时,环境温度对硼粒子总的反应速率影响较小。     

高纯硼粉的特性及其在富燃料推进剂中的应用研究

通过SEM、XRD、pH计、X射线荧光光谱仪和HAAKE流变仪等研究了高纯硼粉的物化特性,并重点研究了其用于富燃料推进剂的燃烧性能.结果表明,高纯硼粉中大部分颗粒不规则,但在微观上呈晶体结构.由于高纯硼粉表面B2O3、H3BO3杂质非常少,硼粉与水悬浊液的pH值接近中性,硼粉在HTPB粘合剂中的屈服值和表观粘度较小,且随混合时间增加,屈服值和表观粘度保持不变.通过290～407 ℃范围内高纯硼粉富燃料推进剂热分解过程的质量损失可定性认为,高纯硼粉参与凝聚相反应的活性高于无定形硼粉.燃烧性能研究表明,含高纯硼粉的富燃料推进剂低压下正常燃烧,燃烧特性与无定形硼粉相同,实测燃烧热和燃烧效率较高.     

硼颗粒点火燃烧模型研究进展

硼作为固冲发动机推进剂高能组分具有巨大优势,但由于表面氧化层的覆盖对燃烧的抑制作用,导致硼颗粒的燃烧过程十分复杂。文章描述了硼颗粒燃烧的基本现象和过程,阐述了硼颗粒两阶段燃烧的现象本质。综述了以King模型和L-W模型为代表的半经验模型的研究进展,分析比较了两者建模机理的不同之处。详细阐述了以L-W模型为代表的动力学模型的建模机理和内容。介绍了化学机理模型的研究现状和基本原理,并分析比较了半经验模型与化学机理模型的优缺点。     

基于凝相燃烧产物分析的固冲发动机补燃室硼燃烧特性研究

由于硼具有热值高、着火温度高等特点,使得其在固冲发动机中的应用成为研究的热点和难点。以开展固冲发动机条件下的硼燃烧试验研究为目的,建立了一套试验系统。基于这一试验系统,对不同轴向位置的凝相燃烧产物进行试验取样,在XRD、SEM和EDS等物理分析的基础上,对物相成分进行定量分析,研究了不同轴向位置的硼局部燃烧效率和完全燃烧效率,获得了硼燃烧效率和完全燃烧效率沿轴向的分布规律。     

硼粒子的点火及燃烧特性

介绍了硼的物理化学特性和燃烧机理，硼的点火延迟期长、燃烧效率低是由其本身的特性所决定的。改善硼的点火及燃烧特性可以通过控制其粒度，表面包覆、添加低燃点金属等途径来实现。采用ＧＡＰ包覆硼粒吃可以显著降低硼粒子的点火时间，提高了燃烧效率。     

不同助燃方式下硼粉的燃烧机理研究

为研究硼粉燃烧规律，采用两种典型混合方式(干法混合和湿法混合)制备了含不同质量助燃剂双铅-2(SQ-2)的硼粉试样，使用氧弹式量热计测量了硼粉燃烧放热量，同时在量热计上加装压强传感器获得了不同样品在燃烧过程中的压强变化趋势，得到了不同样品中硼粉的有效燃烧时间。结果表明，在SQ-2含量一致时，干法样品在燃烧过程中的升压速率明显大于湿法样品，其最大压强也高于湿法样品；在两种助燃方式下，氧弹中的温度和氧气量均可满足硼粉的燃烧，但SQ-2含量>80%的干法混合中硼粉放热量低，最高仅为34 950 J/g,依然有约40%硼粉没有燃烧，其硼粉有效燃烧时间仅约有29 ms。分析认为，干法混合中样品为粉末状，燃烧迅速，当SQ-2含量>80%时，其燃烧产生的高速气体将硼粉喷溅在氧弹壁上或者氧弹底部，硼粉受“冷壁效应”影响明显而导致无法继续燃烧，而湿法混合中SQ-2与硼粉接触紧密，硼粉受“冷壁效应”影响不大，SQ-2燃烧产生的热量和气体更容易加热硼粉，加上硼粉自身的放热，延长了硼粉的高温燃烧时间，助燃效果好，燃烧效率高。     

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。     

固体火箭超燃冲压发动机硼基贫氧推进剂配方优选试验研究

针对固体火箭超燃冲压发动机中高焓多相超音速燃烧组织难题,通过改进含硼固体贫氧推进剂配方,为硼颗粒的点火燃烧提供良好的微环境,以进一步缩短硼颗粒的点火延迟时间,开展了三种推进剂配方的直连试验研究。试验结果表明,在5～10μm粒径的基础上,进一步降低硼颗粒粒径至1～2μm,使颗粒的随流性增强,并使得掺混均匀度降低,抵消了硼颗粒粒径减小带来的燃烧性能优化作用;提高一次燃烧效率,使得一次燃气温度提升,硼颗粒的点火燃烧微环境得到改善,显著提高了一次燃气的超音速补燃效率。在试验工况下,硼颗粒的燃烧效率由基础配方的61.2%提高至83%,计算得到的发动机名义比冲由6016 N·s/kg提高至7996 N·s/kg,使其超音速燃烧性能得到了显著提高。     

硼粒子直径对点火位置及燃烧效率的影响研究

采用颗粒轨道模型对非壅塞固冲发动机补燃室内不同直径硼粒子的点火及燃烧进行了数值模拟。其中,气相反应简化为一种等效气体的燃烧,硼粒子与O2的燃烧反应模型采用涡耗散模型。硼粒子的点火过程采用King模型,燃烧过程采用化学动力学控制的燃烧模型。结果表明,直径较小的硼粒子能够在补燃室头部点火,且能随气流旋转,驻留时间较长,燃烧较为充分,直径较大的硼粒子与此相反。     

氧化剂和团聚硼粒度对富燃料推进剂燃速特性的影响

考察了细AP和团聚硼含量对含硼富燃料推进剂燃速特性的影响.结果表明,随细AP含量和团聚硼含量的增大,推进剂燃速增加,燃速压强指数也呈增加趋势.同时,以BDP模型为基础,将硼粒度对推进剂燃速特性的影响引入燃速表达式,表达式表明细AP和团聚硼有利于提高氧化剂的燃烧表面积在燃面上的比例,从而有利于提高推进剂的燃速.     

低压下镁铝富燃料固体推进剂燃烧性能研究

通过调节氧化剂含量、粒度级配,或加入KP、用硼粉替换部分铗铝及改变催化剂含量,研究了镁铝富燃料固体推进剂燃速和压强指数的变化规律。研究结果表明,燃速随着AP、KP粒度的减小而增加;随AP含量的增加而增加;随催化剂含量的增加而增加;随KP含量的降低而增加。压强指数随AP粒度减小呈先升高后降低再升高的趋势;粒度不同的配方随AP含量增加,压强指数变化趋势不同;催化剂含量对压强指数的影响规律也同AP粒度有关;KP的粒度变化对压强指数几乎无影响。硼粉替换部分镁铝对燃速和压强指数的影响规律与氧化剂的粒度有关。     

团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响

考察了不同粒度、不同包覆剂的团聚硼对含硼富燃料推进剂燃烧性能的影响。结果表明,随团聚硼颗粒粒度的增大,推进剂的燃速增加,低压可燃极限降低,但燃速压强指数呈下降的趋势;包覆材料AP、L iF有利于提高推进剂的燃速,降低低压可燃极限,但不利于提高燃速压强指数。     

硼粉的包覆及含包覆硼推进剂燃烧残渣成分分析

采用多种包覆剂对硼粉颗粒表面进行包覆,利用透射电镜、酸度计研究各种包覆剂对包覆硼粉的影响,采用化学分析法对含包覆硼推进剂的燃烧残渣成分进行了分析。结果表明,经包覆剂包覆后,在硼粉的表面形成了一层包覆层;包覆后硼粉加水悬浊液体系的pH值明显增大,并适合于含硼富燃料推进剂的制药工艺;包覆后硼粉的燃烧效率明显提高。     

输送管壁温对膏体推进剂燃速的影响

膏体推进剂作为一种新型特种推进剂,具有广阔的应用前景。膏体推进剂燃速直接影响发动机内弹道性能,研究输送管道壁温对推进剂燃速的影响具有重要意义。采用幂律本构方程表征膏体推进剂粘度,Arrhenius方程表征温度对粘度影响,并利用中心有限差分格式对控制方程进行离散。对恒定壁温下的膏体推进剂与管道间传热特性进行数值仿真,并进行了数值验证。结合仿真结果,并借鉴固体推进剂初温与燃速关系,分析了热管道内膏体推进剂燃速特性。结果表明：近壁面加热层厚度随入口速度增高而减小,随管径增大而增大,管内膏体推进剂平均燃速较入口温度条件下有所提高,同时,高温壁面条件下,近壁面推进剂温度高于爆发点,需要考虑管道内的防窜火措施。     

粒子冲刷对丁羟推进剂燃烧性能影响试验研究

利用X射线实时荧屏分析技术(RTR),开展了粒子冲刷条件下固体推进剂燃烧特性试验研究,获得了冲刷条件下丁羟推进剂燃烧界面动态退移图像和燃速变化规律。结果表明,在不同粒子冲刷速度条件下,丁羟推进剂的燃速均有增大。当粒子冲刷速度大于某一值时,燃面上会有凹坑形成,表明粒子冲刷导致推进剂燃速增加加剧,当冲刷速度小于这一值时,燃面上不会有明显凹坑出现,但在气相冲刷的作用下燃速也会有不同程度地增大,改变粒子浓度对燃速的影响不太明显。     

动网格在固体火箭发动机非稳态工作过程中的应用

利用Fluent流场计算软件、动网格技术、UDF文件,用DEFINE_GRID_MOTION定义燃面边界的移动,用DEFINE_PROFILE定义边界类型,考虑侵蚀燃烧、压强变化率对推进剂燃速的影响,对轴对称变截面固体火箭发动机的非稳态工作过程内流场进行了瞬态分析.得到了变截面轴对称固体发动机稳态工作过程中装药燃面推移图像,并得到了发动机内弹道参数分布云图及其随时间的变化规律.     

激波和边界层相互作用区域局部烧蚀的理论计算方法

激波和边界层相互作用区域的局部烧蚀计算是极为复杂的非定常湍流分离流动条件下的烧蚀分析问题，本文将这一复杂的物理化学和气体动力学过程简化为二维前向台阶分离区的准定常烧蚀问题来处理，将偏微分的控制方程组简化为超越代数方程组，提供了一个有一定精度的理论分析方法，理论计算结果与实验数据相当吻合。     

有分布质量系绳的卫星系统的动力学

以一组偏微分方程建立起的数学模型和采用距离速率控制算法来描述系统的受控运动。创建的递推算法用于计算系统的定常运动和称驻形。根据求解小偏差运动方程和通过边界条件求解特征根以判定驻形的稳定性。给出了模拟结果。     

基于SPH方法的幂律流体突缩型管路流动过程仿真

应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了幂律型流体的突缩型管路流动过程仿真。推导了SPH形式的流体动力学控制方程,应用罚方法施加边界条件,应用人工应力消除拉伸不稳定现象,应用XSPH方法规范粒子秩序。提出了幂律型本构关系的SPH求解方法,推导了剪切速率及粘性项的计算公式。应用Poiseuille流算例对本文的幂律型本构求解方法进行了验证,获取了幂律型流体在突缩管中的流动特性,并与水的流动特性进行了对比分析。讨论了流动特性的成因。