固液火箭发动机试验燃速的计算

基于固液火箭发动机固体药柱燃速与药柱通道氧化剂质量流率的关系,推导分析得出:在2s短工作时间内或者药柱通道直径增大10%的情况下,燃烧室压力与其氧化剂质量流量成正比.因此通过试验测量的燃烧室压力可计算得到发动机转级或者关机拖尾段中的氧化剂质量流量.据此,计算发动机拖尾段消耗的燃料质量,消除发动机拖尾段燃料消耗对平均燃速的影响,可以修正常用的计算试验燃速的起止点平均法.利用此方法对两种试验推进剂组合的燃速进行了计算,原偏高的燃速值降低约20%,不同尺寸发动机的燃速符合尺寸规律,偏差在5%以内,使小尺寸发动机测得的燃速可应用到大尺寸发动机的设计中.      

星孔药柱设计研究

推导了星孔药柱尾部装药和剩药燃面计算公式,提出了采用粗略内弹道计算优选药柱参数的设计方法,应用改进的一维准定常流动模型进行了精确内弹道计算,并与实验值进行了比较。计算结果和实验结果十分吻合,压强相对误差小于5％。本文提出的设计方法已成功应用于发动机设计中,大大减少了实验次数,节省了研制经费。本方法可适合于其它内孔燃烧发动机的装药设计。     

固体发动机药柱燃速估算的试验研究

本文叙述了由112mm发动机估算880mm发动机药柱燃速的试验研究.经统计分析,给出了大、小发动机药柱燃速之间的三个关系式,以及相应的估算误差.采用有效燃速可使估算误差t·S_y/(?)(%)减小至1.5%左右.     

脱粘引起的燃面变化及其对发动机性能的影响

分析了推进剂药柱与衬层界面脱粘在不扩展条件下的燃面变化,并对相应的燃面面积进行了计算;通过对存在药柱与衬层界面脱粘发动机的内弹道仿真,得到了关于在脱粘面不扩展条件下不同脱粘部位和脱粘尺寸对发动机工作过程影响的一些结论.     

固体火箭发动机绝热层缺陷对药柱燃面影响的数值模拟

发动机绝热层人工脱粘层局部产生缺陷时,经柱燃面曲线偏离设计曲线,导致发动机２内弹道性能也偏离设计为了模拟这种缺陷对药柱燃面的影响,扩展了原通用坐标程序地计算范围,并又新增加了一些基本图形的算法。改进后的算法可适用于绝热层有或没有缺陷的药柱燃面计算。针对绝热层缺陷建立了三种燃烧模型,计算分析了缺陷类型、结构与位置尺寸对药柱燃面的影响,为分析绝热层有缺陷的发动机性能的基础。     

旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机药柱表面传热以及燃速的影响

为研究旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机(SFRJ)药柱表面传热以及燃速的影响,以高密度聚乙烯(HDPE)为燃料,对旋流和无旋工况下的固体燃料冲压发动机进行了连管实验研究,并且编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序,采用流固耦合传热的方法以及非定常时间推进方式,对实验工况进行了数值模拟。结果表明:①药柱表面热流密度对燃速有显著影响,在回流区与附着点处,药柱表面的对流换热能力要明显优于再发展区;②在旋流工况下,在离心力与切向速度的作用下,使热解产物在药柱表面附近区域停留时间更长,有助于热解产物的充分反应,并且明显增强药柱表面对流换热能力,与无旋工况相比,提高幅度可达100%,并且在旋流工况下发动机可更快建立自持燃烧;③通过实验研究发现,旋流的引入提高发动机的燃速有积极作用,增幅可达26%,但会导致固体燃料冲压发动机补燃室压强出现周期性振荡。      

嵌金属丝端燃药柱燃烧过程的数值研究

通过对金属丝采用一维传热方程,对端燃药柱采用二维轴对称传热方程,对燃气采用常微分控制方程,数值研究了嵌金属丝端燃药柱发动机的工作过程和金属丝热物性及其直径对沿金属丝燃速的影响。计算结果表明,沿金属丝燃速随金属丝导热系数、金属丝熔点的增大而增大,随金属丝比热的减小而增大;对同种金属丝存在一个最佳金属丝直径,使沿金属丝燃速达到最大值。该模型计算结果与试验结果相符较好,且能够得到沿金属丝燃速、药柱燃面变化及燃气压力等随时间的变化;模型简单、所需计算资源较少,适用于工程设计应用。     

采用N_2O与含金属HTPB燃料固液火箭发动机燃速试验研究(英文)

为了研究含金属固体燃料固液火箭发动机的燃速及发动机的工作特征,采用N2O氧化剂与含Al,Mg和C的HTPB基固体燃料的固液发动机进行试验研究与分析,试验在3种尺寸药柱、多种氧化剂流量下进行,获得发动机的燃速、燃烧室压强及燃烧效率等参数。为分析辐射换热对燃速的影响,把燃速分成两部分并提出相应的分析式:一部分由对流换热控制的燃速,由通过药柱通道的总质量流率来衡量;另一部分由辐射换热控制,通过燃烧产物中凝相组分对固体燃料壁面的辐射换热量决定。对试验结果进行分析发现,除富氧的情况外,热辐射控制的燃速约占总燃速的30%~60%,辐射控制燃速与对流控制燃速的比例趋势与燃烧产物中凝相组分的质量分数随氧燃比的变化规律相似。同时,试验结果显示,试验燃速总体上随着固体药柱通道中氧化剂质量流率的增加而增大。发动机的燃烧效率绝大多数位于80%~97%的范围,在化学当量比附近和富氧范围内,随着燃烧温度的降低而降低,效率曲线与理论绝热燃烧温度值的平方相似。     

SolidWorks二次开发在燃面计算中的应用

以SolidWorks二次开发接口为基础,探讨了参数化设计在固体火箭发动机装药燃面计算中的应用.通过不同的药柱建模方法实现了固体药柱的装药计算,发展了一种更为简单准确的燃面计算方法.计算结果表明,理论计算和试验结果吻合得较好,能够较好地模拟固体药柱的燃烧过程,可以满足工程计算上的需要,为固体装药的燃面计算提供了新的思路和方法.      

基于高分辨率数据重构的固体燃料冲压发动机燃料平均燃速测试

采用一种非接触主动式扫描和结构光栅投影定位技术,对以高密度聚乙烯(HDPE)为推进剂的固体燃料冲压发动机地面实验后药柱内孔燃烧形貌进行了三维点云数据重构,获得了固体燃料内表面当地平均燃速的三维分布云图。研究发现:①通过该方法计算所得药柱燃烧去除质量与实验后实际质量变化量误差在0.1%内,精度满足用于固体燃料燃速的评估要求;②构建的数据重构燃速测试方法能真实反映燃料药柱结构变化,且具有一定的适用性;③通过该方法得到了当地平均燃速与总平均燃速的关系并通过线性拟合的方法得到了燃速与来流空气质量通量关系。通过对该方法的验证分析,认为所提出的燃速测试方法对深入研究固体燃料冲压发动机燃速具有一定的参考价值。      

双脉冲固体火箭发动机隔塞运动特性

以双脉冲固体火箭发动机隔塞的运动过程为研究对象,搭建了脉冲隔离装置冷气冲击实验平台,获得了隔塞在Ⅰ脉冲燃烧室中的运动规律。采用动态结构嵌套网格方法,对隔塞的运动过程进行了数值模拟,分析了隔塞运动过程中流场结构,揭示了隔塞运动规律的形成机制。研究结果表明:对于单孔隔板,隔塞在燃烧室中沿轴向平稳运动,随着驱动压强的上升,隔塞运动的初始加速度增加,运动速度有所上升;对于多孔隔板,由于隔板级间孔和隔塞对燃烧室内流场结构的干扰,导致多个隔塞在Ⅰ脉冲燃烧室中的运动过程异常复杂,出现转动和翻覆现象;且随着时间的推移,隔塞的运动速度、姿态和位置差异逐渐增大,合理的隔板级间孔设计可以有效避免隔塞在喷管喉部处聚集。      

串装双燃速药柱发动机的内流场计算

对一维的加质燃烧室流场、轴对称的二维喷管内流场和高燃速药柱燃烧完成后的燃烧室二维内流场以及三维药柱几何做了一体化计算。应用轴对称的N－S方程、TVD有限体积法的显式MacCormack格式，对燃烧室后段和长尾喷管跨声速流场进行求解，得到了双燃速内弹道性能和轴对称二维流场中燃气参数的分布。结果具有较高的精度，并为进一步的燃烧室和喷管热结构分析提供数值依据。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

助推器侧向卸压喷流对尾舵气动干扰的数值研究

采用燃气/空气双组元冻结流模型,基于任意多块对接结构网格求解三维N-S方程,数值分析了导弹助推器分离前侧向卸压喷流对尾舵气动力的干扰特性。得到了助推器推力终止侧向卸压过程中,喷流与外流干扰的非定常流场结构以及尾舵气动力的变化历程。分析结果表明,卸压开始后的一段时间内尾舵受到卸压喷流的屏蔽作用,尾舵气动力不能提供足够的分离冲量,此时对其进行舵偏控制将是无效的,尾舵控制时序应该自卸压开始延迟180 ms。     

过载条件下固体发动机内流场数值模拟

应用颗粒轨道模型，连续相控制方程按二阶迎风有限体积方法进行离散，并对纵、横加速度载荷均为20g、30g和35g的固体火箭发动机燃烧室内两相流动进行了模拟。结果表明，有纵横加速度载荷的情况下，发动机燃烧室内颗粒相会形成粒子聚集流，对承载方向的装药和壁面产生严重的冲蚀，明显改变了发动机燃烧室内原有的轴对称流动形态，同时承载方向上粒子聚集流的最大密度点随横向加速度的增加而远离发动机后封头。这些结果与实验发动机试车结果有较好的一致性，为发动机绝热层异常烧蚀机理分析提供了理论依据。     

含硼推进剂固冲发动机补燃室响应面优化设计

影响含硼推进剂固体火箭冲压发动机补燃室燃烧效率的因素很多,且各因素对燃烧效率的影响很难用精确的解析函数式来表示.首先建立了发动机补燃室内两相湍流燃烧数值模拟模型,然后提出了选用基于正交多项式的响应面方法来解决含硼推进剂固体火箭冲压发动机补燃室结构优化问题.这种方法可以减少为得到近似函数式而对补燃室流场进行计算的次数,能比较方便地对固体火箭冲压发动机补燃室各个参数进行优化与分析.      

固体火箭发动机后效推力对导弹底阻影响的数值仿真

采用二维轴对称N-S方程与湍流模型相结合,建立了固体火箭发动机喷管尾流和弹体外流一体化仿真模型.针对给定的导弹模型,开展了不同发动机燃气流量下的流场仿真,得到了流场速度和压力分布,分析了不同燃气流量下发动机后效推力对导弹底阻的影响.结果表明:与发动机不工作时相比,加入较小的燃气流量后,导弹底部压力增大,底阻值减小.随着燃气流量的增加,底部压力先减小后增大,底阻先增大后减小.随着燃气流量的增加,后效推力与导弹底阻的合力不断增大,且动推力所占比重逐渐增加.      

复杂装药固体火箭发动机工作过程中阻尼特性分析

为了获得复杂装药发动机工作过程中阻尼特性的变化规律,首先利用有限元分析方法对不同工作时刻时的燃烧室声腔结构进行了数值仿真计算,得到复杂装药发动机工作过程中的声模态及其变化规律;基于此,计算并分析了复杂装药发动机装药燃烧过程中常见阻尼因素的变化规律,结果表明,喷管阻尼系数与壁面阻尼系数占总阻尼系数百分比逐渐减小,相反微粒阻尼系数占总阻尼系数的百分比逐渐增大,在发动机工作后期,发动机阻尼系数最小,从而导致发动机后期的工作稳定性较差,小扰动易被扩大为大扰动; 在发动机的所有阻尼中,喷管阻尼在发动机工作初期起主导作用,而微粒阻尼在工作后期起主导作用。     

流场不均匀对液体火箭发动机纵向振荡燃烧影响及控制

针对常温推进剂发动机推力室再生冷却和撞击式喷注器结构,分析了推力室身部与喷注器对接部位的流场特性,对流场均匀性进行了实验测量。结果表明：推力室身部再生冷却通道出口压力存在约0.15 MPa周向不均匀。身部出口节流显著提高局部流速,使喷注器面氧化剂湍流度和不均匀性增加,进而改变燃烧特性。通过撞击喷注单元雾化试验,获得了18 m/s的推进剂入口边界流速。基于喷注器流场均匀性,提出控制推进剂流速,降低不均匀性,进而抑制纵向高频燃烧不稳定性的控制方法。发动机热试结果表明,采用（15±1） m/s的推进剂入口流速,控制方法抑制了纵向高频燃烧不稳定性。     

Self-ignition characteristics of the high-speed ramjet kinetic energy projectile in the launch process

To research the self-ignition characteristics of high-speed ramjet kinetic energy projectile in the launch process, the self-ignition process based on the solid fuel of polyethylene was numerically simulated by using the dynamic grid technology. The effect of different muzzle velocity on the self-ignition performance, and the effect of opening the blockage at different times on the flow field stability of the combustion chamber and the flow field characteristics after the solid fuel ramjet stabilized were analyzed. The results show that the occurrence of self-ignition is not only related to the pressure, temperature in the combustion chamber, and the muzzle velocity, but also to the content of C_2H_4 and its degree of mixing with air in the combustion chamber. After the kinetic energy projectile gets out of the muzzle and before the blockage opens, there is oscillation occurring in the combustion chamber. The higher the muzzle velocity of the kinetic energy projectile, the more prone to the occurrence of the self-ignition and the negative effects can be avoided due to the pressure oscillation in the combustion chamber. The effect of opening the blockage at different times on the flow field stability after the self-ignition occurs in a period of time is weak. After the blockage opens, the solid fuel ramjet can reach a stable working condition quickly.