电动泵压式液氧煤油变推力火箭发动机动力学建模与仿真分析:Part Ⅰ-单点工况分析

为了解决电动泵压式液氧煤油变推力火箭发动机系统响应特性不明晰的问题，综合考虑了电池、电机及冷却通道的影响，建立了电动泵压式液氧煤油变推力火箭发动机仿真平台，深入研究了不同工况下系统响应特性以及系统性能参数随推力水平的变化规律。研究结果表明：系统性能参数响应存在短板效应，尽管电动泵响应速度快，而冷却通道参数响应速度慢，导致系统性能参数响应时间是电动泵转速响应时间的10倍以上；此外，低推力工况时，适当降低混合比，能够保证冷却通道出口亚临界情况下的顺利调节。因此，为了提高系统响应特性，在满足冷却压降要求时，应尽可能提高冷却通道内冷却剂流速。     

液氧/煤油火箭发动机推力和混合比的非线性调整研究

对液体火箭发动机推力和混合比的大范围非线性调整,提出了分级迭代直接求解高维非线性方程组的计算方法,并对液氧／煤油补燃循环火箭发动机的典型调整方案进行了计算分析,得到了考虑作为冷却剂的燃料温升、主涡轮入口燃气温度、主涡轮泵转速、发动机真空比冲以及燃气发生器喷注器压降和主燃烧室喷注器压降约束下发动机推力和混合比的最大可调域。     

电动膨胀循环液氧甲烷变推力发动机动态特性研究

电动泵压式液体火箭发动机受到了广泛的关注，然而电池有限的输出功率和过于沉重的质量成为限制电动泵压式发动机发展的重要因素。为此本文提出了一种电机驱动燃料泵和涡轮驱动氧泵的电动膨胀循环液体火箭发动机方案，并着重研究了该型发动机的动态响应特性。首先给出了20 kN级电动膨胀循环发动机的技术指标和部组件参数，进一步基于AMESim平台建立了全系统动力学模型，验证了方案的可行性和部组件动力学模型的准确性，并深入研究了单点工况和调节工况的动态响应特性。结果表明，针对启动过程而言，涡轮泵调整时间较电动泵长，这降低了系统响应速度，但工况越高，系统响应速度越快；高工况启动时，甲烷在冷却通道内的剧烈相变和跨临界状态的不连续物性相互耦合易引发系统振荡；就调节过程而言，推力调节时普遍存在超调或凹坑现象，且系统在两相同工况之间调节时，正调响应速度快于负调，这也导致阶跃幅值相等条件下的系统调整时间随目标工况升高而缩短。     

液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究

鉴于重复使用运载器对动力系统的技术需求,以我国新一代运载火箭主动力液氧煤油高压补燃循环发动机为研究对象,建立了多参数、非线性以及强耦合的发动机系统仿真平台。在分析国内外变推力液体火箭发动机技术特点的基础上,根据液氧煤油发动机单路推力调节的仿真结果,首次提出了发生器燃料路流量调节器调节、主涡轮前燃气分流以及氧化剂主路节流等相结合,并辅助以气体乳化提高喷注器压降的组合深度推力调节方案。仿真结果表明:发动机推力调节能力可达10:1,且能实现多次点火起动,具有性能高、调节范围大的优点。     

15:1气氧/煤油变推力火箭发动机设计及试验

为了进一步提高变推力火箭发动机推力调节水平、拓宽推进剂使用范围、提升调节控制的技术能力,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款基于机械定位双调系统的气氧/煤油变推力火箭发动机,对变推力发动机的性能、针栓式喷注器的性能和机械定位双调系统的调节效果进行了研究。结果表明:气氧/煤油变推力火箭发动机在0.26～4.35MPa室压实现稳定燃烧,推力变化为57.30～864.70N,推力变化比达到15:1,最高燃烧效率达到97.14%;流量调节阀可精确调节推进剂流量,针栓式喷注器可主动控制喷注压降,达到机械定位双调系统的预期目标,展现出采用机械定位双调系统的该型变推力火箭发动机在深度变推力技术应用的优势。     

泵压式液体火箭发动机变推力方案选择

简述了泵压式变推力液体火箭发动机的现状和应用前景,提出了几种泵压式发动机推力调节方案,分析了各方案的优缺点,阐述了系统方案选择须重点考虑的几个方面.以某泵压式发动机为模型发动机,利用系统参数平衡仿真计算结果,对各种调节方案综合分析,确定了可行的系统调节方案,可用于指导模型发动机的工程研制.      

深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究

针对载人登月着陆器对高性能深度变推力动力的需求,结合国内外探月及空间探索变推力发动机方案与最新进展,在我国补燃循环液氧煤油发动机高性能和具有一定推力调节能力的基础上,基于发动机推力调节敏感度分析,提出推力敏感度强/调节方案简单的泵压式深度变推力液氧煤油发动机方案;同时针对液氧煤油发动机深度变推力调节特性,提出了大范围推力调节、大变比高性能喷注器、宽范围推力室可靠冷却及高性能、稳定性能涡轮泵等关键技术及其解决途径。     

变推力液体火箭发动机推力调节技术研究综述及发展趋势

系统梳理了国内外变推力液体火箭发动机调节控制技术的研究历程及研究现状，并结合我国航天动力研究基础，指出通过在主系统或副系统管路上设置液体或燃气流量调节装置、通过可调结构的针栓式喷注器同步对流量与压力进行匹配调节仍然是实现大范围变推力调节的两种主要手段；分析了变推力液体火箭发动机推力调节的关键技术及其解决途径，预测了未来一段时期内变推力液体火箭发动机及其调节技术发展趋势，提出了若干适合我国国情的研究建议，为我国低成本、可重复使用天地往返运输技术的发展和有关研究者开展研究工作提供一定的参考。     

结构参数对单组元高室压脉冲推力器的性能影响

高室压脉冲火箭发动机由于使用差动式可移动喷注器,能够得到比供给压强高得多的燃烧室压强.为了分析其工作特性,建立了单组元脉冲火箭发动机挤压喷注、燃烧、排气过程的集总参数模型,以硝酸羟铵(HAN)基作为单组元推进剂,采用四阶龙格-库塔法对模型进行求解.分别从喷注器喷孔面积、喷注器差动面积比、喷管喉部面积、喷注器行程等方面分析并总结了结构参数对单组元高室压脉冲发动机性能的影响规律及影响程度.结果表明:计算模型能反映发动机的实际工作过程,其中,喷注器行程对燃烧室平均压强和平均比冲的影响最大,平均推力则对喷管喉部面积的变化最为敏感,上述两个结构参数是发动机优化设计时的首要考虑因素;其他结构参数对发动机也存在不同程度的影响,可以作为次要因素来考虑.      

针栓喷注式MMH/NTO推力室燃烧及传热数值仿真

为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响,采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得,流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型,流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示,采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%~3.5%;仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明:针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著;对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言,改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。     

高压自燃双组元液体火箭发动机燃烧模型

本文提出了一个高压自燃双组元液体火箭发动机稳态燃烧计算模型.文中报告了特种发动机燃烧室压力、混合比、推进剂喷注温度和喷注器结构对燃烧过程影响的计算及分析结果.各种参数影响规律与实际发动机试验结果符合很好.     

某型氢氧火箭发动机频率特性模块化建模计算分析

为分析某型氢氧火箭发动机频率特性,建立了主、副系统耦合的线性化动态模型：通过一维分布参数模型描述管路特性;采用考虑熵波的绝热流动模型描述燃烧组件特性;推导了转速脉动反馈的传递函数,采用考虑气蚀效应的模型描述泵组件;采取有理近似式表达分布式参数模型和热力组件中的超越函数。在Simulink平台上建立模块化仿真模型,采用扫频法获取频率特性,并利用热试车数据进行验证。结果表明,所开发的模块化仿真库对工程应用十分友好,可用于分析发动机系统低频至中频频率特性;该型发动机在燃气脉动激励下将产生主系统10、165 Hz和副系统124、204 Hz的频率响应;考虑转速脉动反馈计算所得特征频率更加准确;增加泵前管路局部流阻和燃气发生器喷注压降,可提高发动机系统稳定性。     

双调变推力液体火箭发动机的关机

在分析了喷注器整体针阀及调节杠杆的受力情况后,针对整体针阀的弊端提出利用推进剂液压力为关机驱动力的双针阀喷注器,有效地解决了双调变推力液体火箭发动机的关机。试验证明起动关机和动态响应迅速,关机后两组元均能可靠断流。     

液体火箭发动机液膜互击喷嘴研究动态

在以往变推力双组元液体火箭发动机的研制中,采用了一种同轴环形缝隙式喷注器。为了研究几何参数和工作参数的改变对该喷注器液膜互击混合特性的影响,设计了一对平板直缝喷嘴来进行冷流模拟实验。 在进行实验之前用量纲分析的方法对液膜互击混合问题进行了分析。      

带有可调喷注器与文氏管的变推力液体火箭发动机响应特性分析

本文利用数值方法和解析方法对带有可调喷注器和可调文氏管的变推力液体火箭发动机的响应特性进行了分析,讨论了影响此类发动机动态性能的主要因素.最后给出发动机参数的优化结果,并进行了实验验证.     

气液两相同轴喷注器的流强及混合比分布的实验研究

气液两相同轴式喷注器是广泛应用于液体火箭发动机燃烧室的一种雾化装置。喷注器出口下游的流强及混合比分布,是直接影响燃烧性能的重要参数之一。本文利用自行设计制造的两相探针,试验测量了某型气液两相同轴喷注器的流强及混合比分布。实验结果显示了在不同控制参数条件下其分布的详细情况以及不同喷注器几何尺寸对它的影响,对了解此类喷注器的气液两相流场结构及喷注器的设计和改进有重要的参考价值。     

一种能同时测量喷嘴下游气液流强的两相探针的研制

 针对液体火箭发动机喷注器下游燃料和氧化剂两相流场分布的实验研究，研制了能同时对其流强及混合比进行测量的两相探针，并对其进行了标定。利用两相探针对不同反压下同轴式喷嘴下游的流强和混合比分布所进行的试验研究，证明探针的设计是成功的     

大推力液氧煤油发动机推力深度调节仿真分析

针对大推力补燃循环液氧煤油发动机35%～100%推力深度调节的需求，建立了发动机系统仿真模型，开展了燃气发生器燃料路和氧化剂主路联合调节方案与调节特性研究。通过试车数据验证了模型的准确性；选择了三工位液氧主阀的节流工况和流阻参数，根据各工况稳态参数拟合了调节函数，通过仿真分析了调节过程动态特性。研究结果表明：当燃气发生器温度低于额定值56%时，将液氧主阀流阻系数提高至额定值的15倍，可以保证调节过程中燃气发生器温度高于稳定燃烧下限温度；拟合的调节函数能够实现偏差不超过3%的推力调节与混合比保持；应尽量降低液氧主阀节流速率，并使其与推力调节速率匹配，以降低节流过程的冲击振荡。     

双组元变推力火箭发动机喷注器改进设计

液体双组元变推力火箭发动机单针阀喷注器,具有快速响应等明显优势,但同时存在组元比偏差过大和关机不可靠两个固有缺点.本文在分析研究其流量特性的基础上,对单针阀喷注器进行了改进设计,提出了双针阀方案,克服了上述两个缺点.     

推进剂利用系统对液体火箭发动机性能的影响分析

建立了带有推进剂利用系统的泵式压液体火箭发动机稳态工况的非线性数学模型，用非线性优化方法和小偏差方法计算分析了推进剂利用系统调节阀所控制的燃料流量对液体火箭发动机性能的影响，并对比分析了计算结果。所得结论可用于泵压式液体火箭发动机的控制和调节、试验结果分析、可靠性分析、故障分析，也可用于揭示发动机参数随各种干扰因素的变化规律。