固体火箭发动机药柱裂纹燃烧的实验研究

推进剂燃烧;;火焰传播;;固体火箭发动机     

含缺陷固体装药燃烧异常实验分析

利用高速实时Ｘ射线荧屏分析技术,对固体火箭发动机装药经常出现的主要缺陷导致的异常燃烧现象进行研究,提出了含不同类型缺陷装药结构破坏的条件和模式,描述了推进剂裂纹、气孔和脱粘槽穴内的点火、燃烧和结构变形现象,分析了双基、丁羟、ＮＥＰＥ推进剂裂纹进一步扩展趋势和临界条件,为评估固体发动机含缺陷装药燃烧安全性提供了实验依据和分析方法。     

固体推进剂的侵蚀燃烧试验研究

一、试验方法作者利用不同长度、等燃喉比K_n的火箭发动机来进行侵蚀燃烧的试验研究.这种方法的优点是:侵蚀燃烧条件真实,它对发动机性能参数的影响能够直接地观察到.不同长度的发动机是由不同数的或半长的组件组合而成(见图1),每一个组件的长度是0.488m.组件组合的选择是为了获得不同的侵蚀燃烧条件.     

改性双基推进剂催化特征燃烧现象的实验研究

采用П形微热偶、铜台熄火、扫描电镜、单幅火焰照相等技术, 研究了改性双基推进剂催化燃烧特征,用以催化剂为中心的气泡理论,解释了催化剂产生超速燃烧的机理。发现催化燃烧推进剂燃烧表面不均匀,高压下泡沫区比低压下细密而长,泡沫区的物质为未燃烧推进剂;更高压力下泡沫区的消失导致平台燃烧区的出现等现象。还提出了均质推进剂固相多反应机理, 并指出压力不同固相反应机理基本相同, 但固相放热程度不同     

燃烧室升压梯度对固体推进剂裂纹燃烧与扩展影响的研究

建立了描述固体推进剂裂纹燃烧与扩展过程的数学模型。通过实验和理论计算研究了燃烧室升压梯度对固体推进剂裂纹燃烧与扩展的影响。结果表明,燃烧室升压梯度对裂纹腔内对流燃烧流场、以及裂纹的开裂时间和开裂方式都有很大影响。实验结果和理论计算结果的一致及理论计算的双向耦合性质。      

固体火箭发动机燃烧不稳定性预估

本文以Culick线性理论为基础,提出预估固体火箭发动机燃烧不稳定性的方法,并给出一个算例.讨论了提高微粒阻尼预估精度和考虑平均流动影响的问题.首次提出用统计方法评定燃烧不稳定性、给出发生燃烧不稳定概率的方法,并讨论了这种统计方法的合理性和可行性.     

固体推进剂燃烧表面温度的预估

通过对燃烧表面附近气相产物的分析,建立了固体推进剂化学结构与燃烧表面温度(Ts)的对应关系。在一定假设和实验的基础上,使对应关系定量化,由此提出了预估推进剂燃烧表面温度的方法。由该预估方法计算的燃烧表面温度、及其随压强变化的规律都与实际情况基本一致。并进一步提出了燃烧表面温度与催化剂分解峰温(Tm)相匹配原则,作为推进剂燃烧催化剂选择的新原则。     

固体火箭发动机和固体推进剂的燃烧研究

本文系作者参加一九八三年六月廿七日至廿九日于美国西雅图召开的AIAA/SAE/ASME第十九届联合推进会议期间所了解到的有关固体火箭发动机和固体推进剂燃烧研究方面的情况。文章重点介绍了:一、不稳定燃烧研究;二、硝胺推进剂的燃烧;三、含铝推进剂的燃烧;四、固体推进剂燃速特性的研究。 近年来,美国为了适应固体火箭发动机研制的需要,通过它的研究机构和大学的研究实验室,继续不断地开展了不少燃烧和点火方面的研究。在这次联合推进会议上,固体火箭发动机和固体推进剂方面的文章有四十多篇,涉及到固体动力装置的各个方面。其中燃烧方面已经发表的文章有十多篇,反映了美国在这方面的研究动向。通过这次会议和会后参观乔冶亚理工学院空间工程系的实验室、斯坦福大学张以棣教授的实验研究工作,以及与宾西法尼亚州立大学Kuo K、K、教授座谈等活动,对美国在这方面的一部分情况有了一个粗浅的了解。现简要叙述如下。     

固体推进剂裂纹燃烧扩展耦全的基本模式

通过对半无限板边裂纹的零维对流燃烧和变形扩展的模拟分析,揭示了固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式,燃烧流场和裂纹变形扩展相互作用,推进剂塑性变形对燃烧性能的影响,为燃烧断裂的深入研究提示了方向。     

GAP包覆硼对硼固体推进剂燃烧特性的影响

采用CO2激光点火装置研究了GAP包覆硼对含硼推进剂点火性能的影响，并采用扫描电镜（SEM）观察分析了燃烧残留物。结果表明，GAP包覆硼在较高的压力下能改善含硼推进剂的点火性能，而且能够改善含硼推进剂的燃烧残渣分散性。     

点火期间装药裂纹内流场特性的有限元计算

通过理论分析,建立了固体火箭发动机推进剂裂纹动态点火的理论模型,对裂纹内部燃烧流动情况进行了理论计算。在非结构网格下,用有限元方法计算了不同几何特性和增压梯度下,火焰在裂纹内的传播及裂纹内的压强变化情况。计算表明：增压梯度越大,裂纹越窄,裂纹内的火焰传播速度越大,裂纹尖端压强也越大。     

带装药裂纹发动机内流场数值研究

在N－S方程基础上，考虑网格移动，建立了适用于固体火箭发动机内流场的湍流控制方程组，并对带装药裂纹的固体的火箭发动机内流场进行了数值模拟，分析了推进剂中裂纹深度，宽度、位置、角度等多种因素对发动机内流场的影响，计算结果表明：（1）裂纹出口处流速高，大于主通道流速，在裂纹出口附近存在回流区；（2）当裂纹紧靠发动机前封头时，裂纹出口附近回流强度减弱，裂纹对发动机内的流动影响较小；（3）当裂纹深度与裂纹宽度比大于240时，裂纹内压强急剧升高，对发动机装药结构完整性具有重要影响。     

三组元发动机燃烧稳定性试验

设计了气氢／液氧／煤油三组元双工况模型发动机，对不同燃烧室压力、燃料比例，喷注器的结构，燃烧室长度，混合比条件下的高频燃烧稳定性进行了试验，试验中观察到低频和高频自激燃烧不稳定，有限的试验表明，较大的缩进比和较小的旋流数有利于燃烧稳定，提高燃料中氢气的比例＞10％时，有利于燃烧稳定；但氢气对烃氧燃烧稳定性的提高不是绝对的，氢气在燃料中的比例达39％时，燃烧室内仍存在压力为0．13MPa的压力脉动。     

膏体推进剂发动机试验

通过发动机试验系统,进行了膏体推进剂发动机热格栅点火试验和多次关机 启动试验研究。试验发动机带有供料装置,供料压强为7 5MPa,推进剂流量为51g s,喷管喉径为7mm,燃烧室平均压强约1 7MPa,总工作时间大于136s。试验获得了膏体发动机多次点火的特性参数和进行多次关机 启动的压强曲线。试验结果表明:选用的膏体推进剂具有很好的热格栅点火性能,点火参数分布较均匀;膏体发动机具有良好的能量可控性。     

自燃推进剂火箭发动机燃烧不稳定性研究

发展了自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）火箭发动机燃烧不稳定性的综合分析模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,研究了燃烧不稳定性的机理,提出了轴向声腔模型并对其抑制不稳定燃烧的特性进行了数值模拟研究,得到了声槽特性频率驿燃烧不稳定性的影响规律,描绘出声腔影响燃烧不稳定性的具体场景,数值模拟结果与理论分析及试车结果是相符的,对轴向声槽的分析设计将具有广泛的指导意义。     

用粒子仿真法计算含缺陷固体发动机内流场

利用“N-S方程 粒子仿真”方法来计算含缺陷固体发动机的内流场，计算结果表明：该模型可以很好模拟裂纹对发动机内流场的影响，同时指出环形裂纹内的流动对主流的影响大于纵向裂纹，环形裂纹内上游位置流动对主流的影响较下游位置的大，并可以保持到喷管喉部，翼槽附近的环形裂纹内的流动，对主流的影响相对较弱。     

含DNTF的改性双基推进剂燃烧性能

研究了3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）的含量、不同催化剂体系、炭黑的含量、DNTF的粒度对DNTF改性双基推进剂燃速和压强指数的影响。实验表明：DNTF含量为30％时，以含能铅盐、芳香铜盐和炭黑（cB）所组成的复合催化剂可使推进剂压强指数降为0．37（8～14MPa）；而当DNTF的含量为50％时，所选用的三种催化剂体系（铅盐包括含能铅盐和芳香铅盐，铜盐为芳香铜盐）对推进剂的燃烧性能失去调节作用；炭黑含量的增加使推进剂的燃速增加，压强指数变大；DNTF的粒度对该推进剂的燃速影响明显，DNTF粒度较大时，燃速较高（53．19mm／s，16MPa），压强指数较大。     

丁羟/铝镁富燃推进剂燃烧实验

在改进的氮气充压多功能燃烧器中，应用数字高速运动分析及计算机处理技术，对系列Al-Mg富燃催化剂的低压燃烧特性进行了实验研究，总结并讨论了此类推进剂在低于3Mpa贫氧环境下的点火特性，燃烧过程，以及燃速特性与主要成分及燃速催化剂的关系，观测一次燃烧的点火过程，燃面和火焰形貌，以及结渣情况。初步分析了结渣成份，成因及影响因素。     

NEPE高能推进剂凝相燃烧产物的特性分析

通过改进固体推进剂凝相燃烧产物收集装置,在降低系统复杂程度的同时实现了对工作压强的稳定控制。对NEPE高能推进剂在三种工作压强下产生的凝相产物进行了收集,采用粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对获得的凝相燃烧产物进行了深入分析。结果表明,对于NEPE高能推进剂,工作压强对峰值粒度的影响不大,各压强下的平均峰值粒度均在1μm至2μm之间;大部分粒子呈规则球形,少数大粒子会发生形状改变;铝粒子在燃烧室中一般不会全部被氧化成Al2O3。