固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布分析

采用均匀设计方法设计数值试验,研究大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布特性,利用逐步回归法得到堵盖打开时间、推进剂初焰时间、点火压强峰值及时间4个性能参数与散布影响因素的回归关系式,分析了各项性能散布指标与其主要影响因素的关系。结果表明,堵盖打开时间散布取决于堵盖强度,推进剂初焰时刻散布由其着火临界温度控制,点火瞬态压强峰值时刻散布由推进剂密度和喷喉直径控制,点火压强峰值散布主要受推进剂密度、着火临界温度和喷喉直径的影响;并提出了降低散布的工程措施。     

液氧/液甲烷姿控发动机点火技术研究

液氧/液甲烷推进剂组合具有高比冲性能以及其他优异的综合使用性能,已经成为未来空间化学推进的重要发展方向之一。点火技术作为液氧/液甲烷姿控发动机的重大关键技术,对发动机可靠启动、响应特性、脉冲一致性等关键指标具有重要影响。欧美国家已经开展系统以及相关组件的预先研究,其中美国已经完成了系统级的地面自由飞行试验。国内也已开展了低温推进系统技术论证,并开展了主发动机、姿控发动机以及点火器、低温贮箱、低温阀门等关键组件的研发。针对液氧/液甲烷低温推进剂组合进行了点火技术分析筛选和试验研究,验证了电火花点火与激光诱导等离子点火两种方案的原理可行性。试验表明在入口条件从气态到液态的宽广范围内两种方案均能实现可靠、可重复点火,两种点火方式对于LO_x/LCH_4发动机均原理可行。试验得出可靠点火的火花能量边界特性、混合比边界特性、响应特性以及脉冲特性,为后续液氧甲烷发动机设计提供依据。     

发动机推进剂增压输送系统建模仿真技术综述

建模仿真是研究液体火箭发动机推进剂增压输送系统性能特性的有效手段,仿真可缩短研制周期,减少研制费用。总结了国内外液体火箭发动机推进剂增压输送系统的建模方法、数值求解技术的发展概况,并针对增压输送系统模块化的特点,介绍了航空航天领域主要流体仿真软件的功能及国内外利用商业建模仿真平台进行推进剂增压输送系统仿真研究的应用情况,为大推力液体火箭发动机增压输送系统工作特性仿真研究提供借鉴。     

一个包括气相和亚表面反应的过氯酸铵复合推进剂的点火模型

本文提出了 Ap 基复合推进剂点火的一个综合模型及其数值解。这一分析模拟位于滞止区的推进剂试样在快速加压条件下的点火过程。本模型的特点包括:a)考虑了 Ap 基复合推进剂点火的详细的化学动力学资料;b)推进剂几何形状是二维(轴对称)的;c)考虑了气相中压力迅速增加对点燃过程的影响。使用隐式有限差分格式求解瞬态二阶联立、非齐次、非线性偏微分控制方程组。数值解揭示在点火阶段顺序发生的一系列重要事件,包括:点火器气体流入接近样品表面的区域;压缩波到达处未燃成份的燃烧;向推进剂传热;氧化剂和燃烧剂的高温分解;气相反应导致点燃。这个模型正确地预测了实验观察到的现象:随着增压速率提高,点火延迟时间缩短。采用文中考虑的不同点火准则都得到和试验一样的趋势。     

AP/HTPB推进剂表面凝聚相区域燃烧模型

通过研究AP/HTPB推进剂燃烧模型可以对其各组分的消耗情况,以及推进剂燃烧时的化学反应机理有更清晰的认识,为解决燃速调节和配方设计问题提供支持。通过建立一维三相燃烧模型,分别采用Hawkins的1步反应机理以及Jeppson的8步反应机理进行模拟计算,得到了推进剂燃烧表面凝聚相区的温度和组分分布,发现采用Jeppson的8步反应机理,可得到凝聚相区域的组分演化大致要经历分解反应、分解产物与组分反应以及分解产物间发生反应三个反应阶段;而对于Hawkins的1步反应机理,分析了不同的质量流量、压强、推进剂配方中的Al粉含量对凝聚相区燃烧反应的影响,发现Al粉含量对反应速率影响显著。     

瞬态流动条件下固体推进剂的点火

本文的目的主要是测定圆柱形固体推进剂在横向气流中的对流点火模式和位置。使用激波风洞可提供20毫秒时间的加热气流,其压力为1～2.0兆帕,温度为1600～2100K,流速为10～300米/秒。实验气体的组分为100％N_2;10％O_2和90％N_2;50％O_2和50％N_2共三种。测试仪器包括六个辐射探测器、高速摄影机、压力传感器和热流计等。点火为气相过程。相对于三基推进剂来讲,单基和双基推进剂在含氧气流中,点火较为容易。对大Reynolds数(如为16000),低含氧量的自由流气体,火焰会产生分离现象。在高的加热速率、并伴有边界层出现时,点火就会在小于1毫秒的时间内发生。根据流动条件的不同,点火位置可能在气流的前沿区或者在尾流区。     

基于能量特性配方设计专家系统的开发与实现

介绍了用于固体推进剂能量特性配方设计的专家系统(SPES).SPES构造包括了专家知识库、知识查询与获取、性能分析、配方设计、推理机、用户界面及帮助等模块.SPES采用最小自由能数学模型,具有推进荆性能参数预示、数据保密、最大比冲或给定比冲下的配方设计等功能.该系统基于Windows'XP系统,操作简便,可考虑几百种燃气组分,计算参数与实际参数之间的误差可减少到2%之内,一般可达到1%左右,对于固体推进剂及相应固体火箭的研制具有十分重要的应用意义.     

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。     

复合固体推进剂的综合点火模型

本文提出了固体推进剂点火的一种综合理论模型。这种模型可真实地描述非均质推进剂的点火,其中包括环境气体中压力增量(dp/dt)的影响,它还详细地考虑了AP/PBAA推进剂的反应动力学,而且并没有预先做出关于点火部位的假设。其物理模型假设为嵌入燃料粘结剂模型中的是圆球形氧化剂粒子。数学模型的组成是:(a)氧化剂和燃料粘结剂在固相时的能量方程;(b)质量、能量和物质处在气相时的守恒方程。由试验测得的靠近推进剂试样表面的压力——时间曲线作为模型的输入参数。反应机理需要考虑处在气相中的五种物质。本文研究了表面下的反应和气相反应。它提出的模型能够作为阐述在大范围工作条件下不同推进剂的点火模型的基准。     

燃速催化剂对无铝推进剂点火性能的影响

用DSC法研究了几种无铝推进剂的常压热分解特性。分析了燃速馔化剂对其点火性能的影响。在RDX／AP／HTPB推进剂配方中，催化剂使RDX的表观分解速率增大，而实际上减少了氧化性气体的生成量，不利于燃烧反应。AP分解温度提前对改善推进剂的点火性能起主要作用。在AO／AP／HTPB推进剂配方中，AO抑制了AP的分解，而催化剂的存在加速了AP的高低温分解，缩短了热反馈时间，表观分解热升高是改善点火性能的主要原因。燃速催化剂自身的分解放热也有利于促进推进剂点火燃烧。     

胶体燃料的燃烧特性研究

现在高性能可长期贮存的火箭发动机燃料和推进剂的研究方向是开发能使用胶体燃料和胶体推进剂的燃烧系统。这种观点的产生是由于在液体燃料中加入胶状添加剂和(或)金属添加剂能显著提高液体推进剂的性能、密度和比冲。掌握胶体燃料单个液滴的蒸发和燃烧过程是预测未来推力室燃烧性能的第一个基本步骤。研究胶体燃料雾滴蒸发燃烧时应用了先进的计算机辅助摄像系统。测量了雾滴的燃烧速率,并精确观测研究了燃烧过程。对室压和氧化剂质量百分比浓度对雾滴燃烧速率的影响进行了量化研究.结果表明肢体燃料比液体燃料燃烧速率慢,而且点火更加困难。     

固体发动机点火适应性试验及其低温下药柱内孔应变分析

为了深入研究壳体材料、推进剂配方、药柱m数、初始温度等因素对丁羟类推进剂固体火箭发动机的整机可靠性结果的影响,进行了多台钢壳体和碳纤维壳体发动机在-40、20、60℃下的地面点火验证试验。试验发现,该类发动机在-40℃低温下点火易发生失效,且失效多发生在点火信号发出后的压强上升阶段。为此,对各发动机低温点火下的药柱内孔点火应变速率进行了计算。结果表明,失效的主要原因是推进剂低温延伸率偏低,难以适应点火增压过程引起的高应变条件。     

四、试验及测试

点火研究用气液式小火箭发动机与试验方法/李逢春等/1983(1),93～108 本文叙述了用于固体推进剂点火性能研究的试验装置——气液式小火箭发动机及其试验方法。该装置造价低廉,使用方便,输出性能优良,可以用于测定推进剂的点火性能。利用它,我们首次对三种常用的复合推进剂的点火延迟时间进行了测试,其结果与理论分析基本一致。火箭发动机发动机试验推进剂点火点火延迟     

丁羟推进剂激光点火延迟时间研究

应用Ｃ２激光点火器研究了丁羟推进剂中氧含量，等因素及激光点火热通量与点瞎迟时间之间的关系，研究结果表明，随着丁羟推进剂氧量，燃速以及点火热通量的增加，推进的点火延迟时间缩短。超细铝粉能明显改善了羟推进剂的激光点火性能，使点火延这时间缩短。     

MPT在探月中的应用方案初探

借鉴“东方红3号”卫星的推进系统组成和“SMART-1”探月器的飞行轨道,提出了2种微波等离子体推力器(MPT)应用于月球探测器的推进系统方案(即复合推进方案和统一推进方案),分析计算了MPT用于姿态控制时对推进剂耗量的影响及用于主推进变轨时推进剂耗量和飞行时间的变化,并讨论了MPT的电源系统带来的附加质量。结果表明,在付出一定飞行时间代价的条件下,MPT的引入将大大增加有效载荷质量。     

预测固体推进剂火箭发动机侵蚀燃烧的数值法

对于固体推进剂火箭燃烧可采用一维模型预测固体推进剂火箭发动机的侵蚀燃烧特性。用取决于不同燃烧速率的速度来表示固体推进剂的侵蚀燃烧。数值积分控制偏微分方程就可得到分析结果。使用非定常公式预测固体推进剂侵蚀燃烧特性。计算了各种不同药形的复合推进剂和双基推进剂的侵蚀燃烧特性。测出了各种不同药形装填密度(药柱初始通孔面积与喉面积之比)对压力时间曲线的影响。现有分析指出,装填密度是确定某一特定药形及化学成分的推进剂侵蚀燃烧特性的最重要参数之一。研究表明低燃速推进剂比高燃速推进剂反映出具有较大的侵蚀燃烧效应。同时也表明长方药形与圆柱药形相比具有较大的初始压力峰,相反压力很快就稳定到一般与装填密度无关的平衡压力。     

织女星火箭进行发动机点火试验

近日,Zefiro 9-A(Z9-A)发动机在位于意大利撒丁岛的试验场成功进行了首次点火试验,这是织女星火箭飞行鉴定试验前的最后第二次发动机点火试验。此次试验检验了弹道性能(压力及推力曲线)、内部热防护效率、推力矢量控制性能,以及传导热与动力环境发动机性能。Z9-A固体火箭发动机是织女星火箭的第三级发动机。发动机点火燃烧了120 s。结果验证了这种改进型发动机预期性能的提升,以及发动机喷嘴坚固性的改进。这种使用新喷嘴设计和优化推进剂加注方式的改进型发动机,完全符合织女星火箭第三级发动机的飞行特性,但为使发动机适应水平状态,使用了截平喷嘴。预计2009年2月,Z9-A发动机将进行第二次飞行鉴定试验,而火箭飞行鉴定试验计划将于2009年末进行。织女星火箭是一枚三级固体推进火箭,有一液体推进剂上面级,起飞质量137 t,能将1 500 kg有效载荷送入高度700 km的极轨,可用于发射各种科学和地球观测任务航天器。织女星小型火箭为4级火箭。其中有三级使用固体推进剂,一级使用液体推进剂。使用固体推进剂的分别为P80一级、Zefiro-23二级和Zefiro-9三级;使用液体推进剂的一级为AVUM。Z9-A发动机整体高...     

低加速度多次点火转移至对地静止轨道

近年来美国正在发展用统一推进系统实现同步卫星轨道转移。所谓统一推进系统是把用于轨道转移的推进系统与姿态控制和轨道保持推进系统设计成一体的推进系统。这种系统具有比冲高等许多优点。特别是它提供了低加速度的转移,从而可以在近地轨道展开大型卫星并对之进行检测,然后注入对地静止轨道。但由于转移加速度低,需要多圈轨道多次点火才能获得所需的速度增量,这将引起额外的推进剂损失。文中指出使推力矢量控制在当地地平方向并使之稍微偏出轨道平面是较实际的制导方法。若配合适当的加速度和点火次数,推进剂的损失可以忽略不计。文中详细介绍了运动方程和辅助方程,并给出了计算机算法。据此发展的计算机程序可很好地适应这类系统的设计。     

含负压力指数的复合固体推进剂的稳态燃烧机理

为了研究含负压力指数的高氯酸铵(AP)复合固体推进剂的稳态燃烧机理,采用扫描电子显微镜对中断燃烧样品进行了研究,并利用自发光或激光阴影的单幅近距摄影术对燃烧中样品进行了观察。发现已熔粘合剂对AP表面的复盖并不是聚氯酯(PU)推进剂在“mesa”区所特有的现象;而是在更广大的范围内出现的普遍现象。指出局部复盖并不一定造成局部熄火,进而提出了一个综合考虑粘合剂对AP表面的复盖和复盖下存在凝相反应及反向气化的理论模型。该模型可用于包括易熔粘合剂在内的AP复合推进剂。具有能说明“平台”、“mesa”和正常的燃烧行为,分析初温、AP颗粒尺寸对燃烧特性影响的能力。而且,也能够成为研究包括“mesa”推进剂在内的侵蚀燃烧与不稳定燃烧问题的基础。