基于燃面耦合传热的固液发动机内流场模拟方法

针对固液火箭发动机中的燃烧流动,建立了一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的通用计算模型。应用该模型计算了二维固液实验发动机燃烧室,得到了燃烧室内部的扩散燃烧和燃面退移速率。计算得到的燃面退移速率与实验结果吻合较好,说明该方法对固液火箭发动机内流场计算有较强的通用性,PDF模型可有效模拟混合发动机中的扩散燃烧过程;简化的一维燃面传热耦合方法可应用到多维计算;该模型可用来模拟固液发动机的内弹道和预示退移速率。     

基于焓平衡法的固体燃料冲压发动机燃速预示模型

修正了固液混合火箭的固体燃料燃面退移速率预示模型中对流换热和汽化热的计算,将其用于固体燃料冲压发动机中,考虑了固体燃料冲压发动机中来流空气总温及装药长度的影响。编写了固体燃料冲压发动机燃面退移速率预示程序。计算结果表明,当来流空气总温大于450 K时,计算误差的平均值不超过6.55%,所完善的模型的计算结果与试验值吻合很好,该模型能准确预示固体燃料冲压发动机中燃面退移速率;燃面退移速率与装药长度的-0.23次方成正比。     

N_2O/HTPB固液发动机燃烧室结构对药柱燃面退移特性的数值模拟

针对采用N_2O/HTPB推进剂的某固液火箭发动机,分析研究燃烧室长径比、前燃室长度、补燃室长度以及喉径等结构参数对固体燃料热解表面燃面退移速率的影响。通过建立一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的数值计算方法,并经算例验证后,说明此数值模拟方法的合理性和正确性。因此,应用此数值模拟方法分别计算了燃烧室各结构参数对固体燃料热解表面退移速率的影响:药柱长径比对燃面退移速率影响较大,随着药柱内径的不断增大,退移速率逐渐减小;随着前燃室长度的增大,燃面退移速率也相应增加,但幅度较小;而补燃室长度以及喉径对退移速率基本无影响。适当增加补燃室长度,可增强氧化剂与燃料热解气体的掺混效果,从而提高燃烧效率。     

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。     

复合固体推进剂应变对燃速的直接影响

本文提出了一种数学模型来预示由应变引起的复合固体推进剂燃速增大。模型假定燃速的增加是由于火焰进入由应变引起的药柱裂缝和空穴。在应力作用下,引起粘结剂与氧化剂粘结破裂而生成的这些随机分布裂纹的数量、尺寸,可用裂纹扩展分析法得到。用Summerfield燃速公式計算出火焰高度,然后用火焰高度計算由火焰穿入裂缝使燃面增加而引起的燃速增量。所得的数据与已发表的资料作了对比,证明存在压力和应变阈值。高于此值便出现燃速增大。但模型预示的压力和应变阈值,分别比预期的低和高。文中还讨论了本模型的其它结果及应用。     

固体燃料超燃冲压发动机关键基础技术问题

针对固体燃料超燃冲压发动机的应用背景、技术优势和发展需求,对制约固体燃料超燃冲压发动机进一步工程化应用所面临的主要关键基础技术进行系统梳理。通过对固体燃料超燃冲压发动机工作原理、点火和火焰稳定性、燃面退移速率模型、固体燃料种类、超燃冲压发动机试验台技术特点及固体燃料超燃冲压发动机工作性能的阐述,详细分析了固体燃料超燃冲压发动机技术研究的进展和难点,并对固体燃料超燃冲压发动机未来研究趋势进行了展望。研究认为,固体燃料在超声速流动下的细化燃烧反应机理还需要进行深入研究,需要建立更加完善的超声速细化燃烧模型;考虑不同的固体燃料,固体燃料配方不同,带来推力性能和燃烧效率也不一样,需要推动固体推进剂技术改良;发动机地面试验测量方式过于单一,需要发展先进的测量手段。     

涡流对固体燃料冲压发动机性能影响分析

通过对固体燃料冲压发动机内流动和燃烧过程的数值模拟,研究了涡流对发动机性能的影响。主要讨论了发动机推力和比冲、固体燃料的平均后退速率和燃烧效率对旋流强度的依赖关系,还对推进剂燃速沿轴向的分布进行了考察,并与无旋条件进行了比较分析。结果表明,小强度的涡流能明显提高固体燃料燃速和发动机推力,但强度过大,涡流反而会给发动机性能带来不利影响;涡流增强燃烧作用主要体现在装药后段。     

具有倾斜燃面的固体火箭发动机内流场解析解与数值解的分析比较

运用解析方法与数值模拟方法,对具有倾斜燃面的固体火箭发动机内流场进行了研究.解析部分以二维不可压欧拉方程为基础,运用摄动法求解涡量-流函数非线性方程,得到了燃烧室内速度场、压力场及涡量场的解.数值模拟部分采用FLUENT软件中的层流模型与标准k-ε模型,针对不同雷诺数下的情况选择不同的模型,对该问题进行了数值模拟.主要研究了燃面倾斜角α与平直燃面长度L对燃烧室内流场的影响.结果表明,若不考虑倾斜效应,仅用平直燃面代替倾斜燃面,不仅会高估压降,而且会影响流场的其他参数,这种影响在加长燃烧室或大燃面倾斜角发动机中尤为突出.解析解与数值解基本吻合.     

固体推进剂非稳态燃速测量及燃速对压强变化响应滞后

本文扼要介绍了一个能直接、快速地测量固体推进剂瞬时燃速的激光系统，并用于测量压强变化条件下的瞬时燃速响应滞后。实验结果显示，在压强振荡、降压和升压过程中，瞬时燃速对压强变化响应都有滞后。滞后时间（ｔ＊）随压强变化速率增加而减少。但ｔ＊－ｄｐ／ｄｔ曲线不是一条直线，而是一条近似的双曲线     

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。     

Hybrid rocket engine,theoretical model and experiment

The purpose of this paper is to build a theoretical model for the hybrid rocket engine/motor and to validate it using experimental results. The work approaches the main problems of the hybrid motor: the scalability, the stability/controllability of the operating parameters and the increasing of the solid fuel regression rate. At first, we focus on theoretical models for hybrid rocket motor and compare the results with already available experimental data from various research groups. A primary computation model is presented together with results from a numerical algorithm based on a computational model. We present theoretical predictions for several commercial hybrid rocket motors, having different scales and compare them with experimental measurements of those hybrid rocket motors. Next the paper focuses on tribrid rocket motor concept, which by supplementary liquid fuel injection can improve the thrust controllability. A complementary computation model is also presented to estimate regression rate increase of solid fuel doped with oxidizer. Finally, the stability of the hybrid rocket motor is investigated using Liapunov theory. Stability coefficients obtained are dependent on burning parameters while the stability and command matrixes are identified. The paper presents thoroughly the input data of the model, which ensures the reproducibility of the numerical results by independent researchers.     

固液混合发动机的新宠--石蜡基燃料

石蜡基燃料是近年来开始大力研究的用于固液混合发动机的推进剂,其燃速是现在通常应用的HTPB的3～4倍,扫除了大型固液混合发动机应用的最大障碍。固液混合火箭具有安全、价廉等优点,石蜡基燃料的固液混合火箭有可能在5～10年内研究成功并应用于实际,成为一种廉价的可重复使用火箭助推器。本文描述了用于固液混合发动机的石蜡基燃料的研究现状,对石蜡基燃料应用中可能存在的问题进行了分析,展望了采用石蜡基燃料的固液混合发动机的应用前景。     

固液混合发动机的新宠――石蜡基燃料

石蜡基燃料是近年来开始大力研究的用于固液混合发动机的推进剂,其燃速是现在通常应用的HTPB的3～4倍,扫除了大型固液混合发动机应用的最大障碍。固液混合火箭具有安全、价廉等优点,石蜡基燃料的固液混合火箭有可能在5～10年内研究成功并应用于实际,成为一种廉价的可重复使用火箭助推器。本文描述了用于固液混合发动机的石蜡基燃料的研究现状,对石蜡基燃料应用中可能存在的问题进行了分析,展望了采用石蜡基燃料的固液混合发动机的应用前景。     

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。     

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.     

发动机涡轮泵流体动静压轴承应用分析

针对液体火箭发动机涡轮泵特殊工作环境,讨论了流体动静压轴承可采用的结构形式和需要解决的关键技术。提出了径向轴承宜采用腔式结构,止推轴承宜采用螺旋槽或瓦块结构;并针对液氧涡轮泵动静压轴承提出了研究需要解决的关键技术。     

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.     

含石蜡燃料初步研究

含石蜡燃料具高退移速率特性且成本低,是固液混合发动机理想能源。制取了在气氧矩形燃烧器中燃烧时不发生融化的含石蜡燃料。实验表明：将50％HTPB置换为石蜡,退移速率可提高1．37倍;在燃料中添加金属镁铝合金,可提高燃料密度和退移速率;添加碳黑可提高燃料密度,但退移速率略有下降。     

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.