基于流-固耦合的混合火箭发动机固体燃料表面退移速率计算

基于流-固耦合的方法,在充分考虑混合火箭发动机工作过程中诸多复杂物理过程的基础上,建立了一个可适用于不同工作状况下混合火箭发动机固体燃料表面退移速率预示的计算模型。计算结果与实验数据的对比验证了所建立计算模型的准确性。对模型发动机进行模拟的结果表明,混合火箭发动机中的燃烧、流动及固体燃料表面的退移速率具有明显的不均匀性,发动机中的固体燃料表面的退移速率沿轴向近似地呈“W”形状的曲线变化;在混合发动机中,突扩形状的预燃室和补燃室有利于燃料热解气体和氧化剂气体的扩散混合,可以强化对固体燃料表面的换热,提高固体燃为表面的退移速率。     

混合发动机燃面后退速率模型分析

燃面后退速率在工作条件改变过程中的变化对混合发动机的设计很大的影响，然而由于理论推导涉及面主旋律有广，很难得出一个燃面后退速率统一公式。文中总结和分析了不同类型的燃面后退速率实验模型，这些模型对于研究燃面后退速率问题有很多的借鉴之处，并且还得到了一个燃面后退速率最佳经验公式。此外，还对燃面后退速率的数值模拟作了一些阐述。     

Experimental investigation of fuel regression rate in a HTPB based lab-scale hybrid rocket motor

The fuel regression rate is an important parameter in the design process of the hybrid rocket motor. Additives in the solid fuel may have influences on the fuel regression rate, which will affect the internal ballistics of the motor. A series of firing experiments have been conducted on lab-scale hybrid rocket motors with 98% hydrogen peroxide (H₂O₂) oxidizer and hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) based fuels in this paper. An innovative fuel regression rate analysis method is established to diminish the errors caused by start and tailing stages in a short time firing test. The effects of the metal Mg, Al, aromatic hydrocarbon anthracene (C₁₄H₁₀), and carbon black (C) on the fuel regression rate are investigated. The fuel regression rate formulas of different fuel components are fitted according to the experiment data. The results indicate that the influence of C₁₄H₁₀ on the fuel regression rate of HTPB is not evident. However, the metal additives in the HTPB fuel can increase the fuel regression rate significantly.     

H_2O_2/HTPB缩比固液火箭发动机药柱燃速试验研究

对采用90%H2O2/HTPB基推进剂组合的缩比固液火箭发动机开展了药柱燃速试验研究,得到了不同点火方式和不同氧化剂流率下的药柱燃速。试验结果表明,在相同的氧化剂流率下,催化点火方式比点火药点火方式药柱燃速要高,燃烧室压力更为平稳,同时建压时间要长。根据点火药点火方式下不同氧化剂流率的药柱燃速拟合得到了燃速公式,并运用燃速公式对300 mm全尺寸发动机进行了装药设计及内弹道性能计算,得到的理论性能曲线与试验结果吻合很好,验证了本文采用的燃速研究方法及结果。     

固液混合火箭发动机燃烧室和喷管流动数值模拟

固液混合火箭发动机是采用液体作为氧化剂,固体作为燃料的一种典型的混合火箭发动机.固液混合火箭发动机中的燃烧和流动问题是固液混合火箭发动机设计中的关键问题,对固液混合火箭发动机的燃烧室和喷管进行一体化计算很有必要.利用二维轴对称N-S方程和组分方程对选用液氧/端羟基聚丁二烯推进剂的固液混合火箭发动机的燃烧室和喷管进行了一体化计算.计算采用LU时间隐式格式、MUSCL空间离散和Van Leer矢通量分裂方法,采用有限速率化学反应模型,对化学源相进行了点隐式处理.计算中分别采用了一步化学反应模型和两步化学反应模型方案,计算了多个氧化剂流速和燃烧室压强下的燃烧室和喷管流场分布,对化学模型进行了选择,为固液混合火箭发动机的设计提供了依据.     

Combustion performance and scale effect from N2O/HTPB hybrid rocket motor simulations

HRM code for the simulation of N₂O/HTPB hybrid rocket motor operation and scale effect analysis has been developed. This code can be used to calculate motor thrust and distributions of physical properties inside the combustion chamber and nozzle during the operational phase by solving the unsteady Navier–Stokes equations using a corrected compressible difference scheme and a two-step, five species combustion model. A dynamic fuel surface regression technique and a two-step calculation method together with the gas–solid coupling are applied in the calculation of fuel regression and the determination of combustion chamber wall profile as fuel regresses. Both the calculated motor thrust from start-up to shut-down mode and the combustion chamber wall profile after motor operation are in good agreements with experimental data. The fuel regression rate equation and the relation between fuel regression rate and axial distance have been derived. Analysis of results suggests improvements in combustion performance to the current hybrid rocket motor design and explains scale effects in the variation of fuel regression rate with combustion chamber diameter.     

燃烧室结构对固液火箭发动机燃烧与流动的影响研究

建立了85%H2O2-PE固液火箭发动机氧化剂H2O2催化分解、PE燃料热解以及热解气体与氧化剂分解气体扩散燃烧的综合模型,计算了固液火箭发动机燃烧室轴对称二维内流场,对不同结构燃烧室内流场的计算结果进行了对比,研究了补燃室和氧化剂入口突扩结构对发动机燃烧性能的影响.结果表明,增加氧化剂入口突扩段有利于发动机稳定工作和充分燃烧,增加补燃室长度可以提高发动机平均燃烧温度,使燃烧更加充分.     

硝酸与固体燃料燃烧性能计算研究

建立了固液火箭发动机燃烧性能计算模型,采用一维化学平衡(ODE)方法对以硝酸为氧化剂的固液火箭发动机燃烧性能进行了初步探讨。计算表明,固液火箭发动机的比冲、特征速度和燃烧温度以及燃烧产物组分等与氧化剂和燃料的配比有密切关系,氧化剂与燃料质量配比在3.75附近时,固液火箭发动机内部的温度较高,燃烧产物组分以及特征速度达到最佳状态,比冲最高。     

固体燃料热分解特性分析

为了认清固液火箭发动机混合燃烧过程,采用热平板导热方式对固体燃料进行热分解实验,得到了固体燃料的化学动力学参数。在热平板导热实验中,观察了固体燃料在不同温度条件下的热分解残药情形,绘制了典型的燃料表面热分解温度-时间曲线,进一步得到Arrhenius类型的燃面退移速率-燃料表面温度关系曲线,并得出固体燃料的活化能强烈依赖于燃料的表面温度,"燃速-温度"曲线明显地展现了2个活化能区域,为固液火箭发动机燃料表面退移速率理论计算提供实验依据。     

混杂复合材料的成型工艺及在固体发动机上的应用

介绍了混杂复合材料的类型和混杂纤维与基体的相容性，分析了纤维混杂对复合材料性能的影响，通过实验论述了混杂复 材料固体发动机壳体和裙的设计方法、成型工艺及试验结果，对几种新型壳体缠绕成型工艺进行了讨论，提出了在固化发动机上应用混杂复合材料的建议     

旋转固体火箭发动机内弹道理论与实验研究

本文系统地总结了我们在旋转固体火箭发动机内弹道理论与实验研究方面的某些成果，其中包括含铝丁羟推进剂的试片实验和装药发动机实验以及燃速敏感性预示和内弹道预示，得出了一些有益的结论，可供发动机设计及推进剂配方设计参考。     

氧化剂质量通量对固液火箭发动机中固体燃料退移速率的影响

针对采用硝酸/HTPB型推进荆的固液混合火箭发动机,采取数值方法研究了氧化剂质量通量对固体燃料热解表面退移速率及换热的影响.研究表明,固体燃料热解表面轴向平均对流换热热流密度、总热流密度以及退移速率与氧化荆质量通量的n次方近似成正比,n的值介于0.6～0.7之间;固体燃料热解表面的辐射换热热流密度近似与氧化刺质量通量成正比;随着氧化剂质量通量的增加,辐射换热占总换热量的比例逐渐增加,增加幅度逐渐减小.     

一种固体火箭发动机内弹道性能数字仿真研究

研究了固体火箭发动机内弹道性能数字仿真方法，包括确定其随机变量，提出根据试验数据修正压强和推力的计算公式和数字仿真模型。该方法可用于固体发动机方案选择、性能评定及流场计算。对某固体火箭发动机的内弹道性能进行了数字仿真，得出了燃烧时间平均压强和平均推力、最大压强、比冲和总冲等内弹道性能参数的均值和方差。计算结果和实验数据符合较好，说明该仿真模型计算可靠。     

非壅塞固体火箭冲压发动机补燃室内流场数值模拟研究

在冷流情况下对发动机补燃室掺混流场进行了数值求解，然后建立了发动机补燃室简单反应流模型，并在该模型下对某实验发动机进行了模拟，得出了反应物和产物组分、燃速、温度等发动机参数的变化趋势，给出了一些有用的结论，论证了该反应流模型的准确性。     

低速条件下引射火箭实验研究

开展了火箭基组合循环推进在引射阶段的实验系统设计，实验系统包括以支板为特征结构形式的引射火箭试验发动机，自由射流气路系统，燃料喷注系统和压强推力数据采集系统，以固体火箭发动机作为燃气发生器，成功地进行了静态海平面零马赫状态下引射模态实验，获得了相关实验数据，同时，对相应的几何结构做了数值模拟，数值计算结果与实验结果基本吻合。     

固体火箭发动机结构可靠性评估方法的探讨

对战术导弹固体火箭发动机的结构可靠性评估方法及其应用作了述评，并以某空空导弹发动机为例进行了计算、比较。与其他方法相比，有验前信息的贝叶斯法能较好地反映发动机的实际结构可靠性水平，是一种较为合理、有效的评估方法，并提出了基于应力－强度干涉仪模型的变量分析法将是发动机结构可靠性评估的一个发展方向     

固体火箭发动机内弹道性能仿真

确定了影响发动机内弹道性能的独立随机变量。其中,发动机肉厚与燃面的关系是根据发动机的试车数据,按照无因次肉厚概念对实测压强-时间曲线反算而获得。根据固体发动机内弹道性能预示模型,采用Monte-Cardo法进行内弹道性能的模拟计算。通过对某发动机的内弹道性能仿真,说明该计算方法可行、数据可信。     

固体燃料冲压发动机推力平稳性及飞行稳定性分析

分析了固体燃料冲压发动机中燃面退移速率的影响因素,建立了燃面退移速率仿真模型。在此基础上,建立了固体燃料冲压发动机工作过程仿真模型。采用该模型对固体燃料冲压发动机超音速巡航导弹的推力平稳性和飞行稳定性进行了分析。分析结果表明,选择适当的发动机设计参数能确保推力随时间的变化最小;发动机能根据巡航导弹飞行高度和速度的变化进行调整,使巡航导弹维持在设计点飞行。     

大长细比小型固体发动机后点火试验研究

阐述了小型固体火箭发动机点火性能参数与影响因素．介绍了大长细比长尾喷管小型固体火箭发动机后点火的设计思路和试验情况．并对后点火试验研究进行了总结。     

固体发动机喷管与壳体卡环连接结构初步研究

为探索大型固体火箭发动机喷管与壳体连接用的卡环结构,设计了一套试验研究装置。试验结果表明,该装置设计合理,所得试验结果与理论计算一致性较好,试验是成功的。由此使卡环结构应用于大型固体火箭发动机取得了突破性进展。