高能合成煤油GN-1性能研究 --“液体火箭推进”专刊

结合火箭发动机工程应用环境,研究了GN-1煤油高温高压热物性、安全特性、传热结焦性能以及点火延迟性能,并和现役火箭煤油作了对比分析。采用商业仪器对GN-1煤油在最高200℃、最高压力25MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了实验测量。在实验数据的基础上,依据基团贡献法、基于比容平移法则的P-R方程、摩擦理论、广义对应态原理分别对GN-1煤油在最高350℃、最高压力60MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了理论计算,建立了GN-1煤油的密度方程、黏度方程、导热系数方程,并将方程的计算值与实验值进行了对比,计算偏差较小。对GN-1煤油和火箭煤油的安全性能进行对比研究,GN-1煤油的闪点为40℃,自燃温度为305℃,高于火箭煤油(225℃);燃点为47℃,低于火箭煤油(82℃),GN-1煤油的爆炸极限范围为0.44%-2.9%（40℃）。GN-1煤油和火箭煤油的急性经口毒性LD50＞5000mg/kg,均属于第五级化合物（实际无毒）。在入口压力10 MPa,流速10 m·s-1,内壁温480℃条件下,GN-1煤油的传热系数比火箭煤油提高14.4%,建立了传热准则方程。GN-1煤油出口油温220℃时试验段平均结焦速率是出口油温150℃时的4.43倍,GN-1煤油不锈钢材质管路中试验段平均结焦为高合管材质管路中的22.3%。在970K-1105K温度范围内,GN-1煤油的点火延迟时间为320μs-471μs,是火箭煤油的55.6%-69.3%。相关研究可对发动机可靠设计及应用提供重要参考。     

高能合成煤油GN-1理化性能及应用分析

研究了高能合成煤油GN-1的密度、黏度等理化性质及热稳定性和能量特性,并与火箭煤油进行了对比分析。实验结果表明:GN-1煤油与现役火箭煤油相比,密度提高2.2%(20℃),黏度下降41.9%(20℃);导热系数和定压比热值均高于火箭煤油;热稳定温度达到394℃,满足火箭发动机工作要求;比冲比现用火箭煤油高7 s以上;综合性能优异。此研究成果有助于我国载人登月用下降级变推力液氧煤油发动机技术攻关及新一代运载火箭性能提升。     

吸热型碳氢燃料与高温合金相容性研究

论证了吸热型碳氢燃料与高温合金相容性研究过程,设计了燃油与高温合金联合加热装置,测试了非钝化和钝化状态的GH625试件和GH3128试件在壁温为500~850℃时、经过燃油压力为3.5MPa、燃油温度为450~500℃、流速为1~5m/s浸渍后的力学性能和金相组织.试验结果表明:在燃料温度为500℃、试件温度为850℃时,GH3128试件结焦量少于GH625试件,GH3128试件的塑性应力下降40%、GH625试件的塑性应力下降60%.燃油浸渍时高温合金钝化后结焦量明显减少.      

进口温度影响航空煤油结焦特性实验

实验研究了超临界压力下航空煤油RP-3的氧化结焦特性.实验系统压力5 MPa,RP-3质量流速4 g/s,实验段为外径2.2 mm、内径1.8 mm不锈钢管(材质:1Cr18Ni9Ti).通过改变进口温度80,100,127℃和150℃,研究了进口油温对RP-3氧化结焦的影响.实验采用近似等热流加热方式,管内壁面结焦通过称质法测量.实验结果表明:随进口温度的升高,结焦速率峰值位置大都向上游推移,且峰值高度有所增加;管内结焦总量随进口油温的升高先增加,当进口油温超过127℃后,管内结焦总量基本保持不变.      

火箭煤油热裂解研究

为了探究火箭煤油热裂解过程以及抗氧化剂对热裂解过程的影响,通过火箭煤油静态热裂解实验研究了火箭煤油在683K～713K条件下裂解转化率、裂解产气率、气相产物组成随温度和时间的变化规律。同时,对比了加入1wt%抗氧化剂邻甲基对苯二酚(THQ)的火箭煤油热裂解行为,发现THQ对火箭煤油热裂解有明显抑制作用。683K～713K下,火箭煤油添加1wt%THQ前后的裂解活化能分别为150.0kJ/mol和210.5kJ/mol,并获得了相应的Arrhenius热裂解方程。对比发现我国火箭煤油裂解速率常数小于美国RP-1,RP-2火箭煤油。     

进口油温影响RP-3结焦特性实验研究

实验研究了超临界压力下RP-3的氧化结焦特性。实验系统压力5Mpa,质量流速4g/s,实验段为外径2.2mm、内径1.8mm不锈钢管（材质：1Cr18Ni9Ti）。通过改变进口温度80℃、100℃、127℃、150℃,研究了进口油温对RP-3氧化结焦的影响。实验采用等热流加热方式,管内壁面结焦通过称重法测量。实验结果表明：RP-3结焦速率随温度的升高沿管长先升高,然后随着溶解氧的消耗降低,在实验段中后部形成结焦速率峰值;随进口温度的升高,结焦速率峰值位置大都向上游推移,且峰值高度有所增加;管内结焦总量随进口油温的升高先增加,当进口油温超过127℃后,管内结焦总量基本保持不变。     

煤基高能煤油点火及燃烧性能研究

为研究煤基高能煤油的点火及燃烧性能,开展了气氧煤油姿控发动机热试车,研究了煤基高能煤油发动机真空比冲性能、脉冲工作性能和响应特性.结果显示:煤基高能煤油发动机点火可靠、燃烧稳定,脉冲工作性能和启动/关机响应特性均满足工程应用要求,真空比冲性能相比火箭煤油基础油发动机提高了约7s.     

煤油加热器螺旋管内煤油传热特性分析

针对燃气加热方式的煤油加热器,为预测其工作性能参数发展了一维传热分析程序,试验验证最大误差为9.7%,结果较为准确。利用该程序研究了煤油加热器流动传热规律及多个因素对其工作特性的影响规律。研究结果表明,典型工况下,煤油从入口到出口温度升高,雷诺数由5.94×104升高至2.39×106,普朗特数由11.2降低至1.4,存在数量级变化,说明对流换热情况复杂;煤油速度逐渐增大,高温区停留时间短,仅为0.28s,结焦影响小;燃气温度、煤油流量和燃气流量是影响其加热能力的主要因素,其作用大小依次降低,而煤油压力和燃气压力对传热过程影响很小。该方法可以有效预测煤油加热器的工作能力。     

氦气谐振点火器和气氧/煤油火炬点火器研究

为了实现液体推进剂火箭发动机重复多次可靠启动，研究了利用气动谐振热效应形成的高温高能点火源进行气氧／煤油等可贮存推进剂多次点火的方案。为此研制了氦气谐振点火器和气氧／煤油火炬点火器。氦气点火器在较宽的气源温度(-2℃～33℃)变化范围、较大喷嘴入口压力(1．5MPa～3．OMPa)变化范围内均具有好的谐振加热性能。气氧／煤油火炬点火器能够多次可靠地点火并生成稳定的点火火炬。由于不受谐振产生条件的限制，气氧和煤油的流量可以在较大的范围内选择，生成点火火炬的温度范围也很宽，富燃点火炬更具工程应用价值。研究结果表明氦气谐振点火器及其气氧／煤油火炬点火器具有结构简单，可靠性高，无毒无污染等优点，对于重复多次启动的液体火箭发动机有着诱人的应用前景。     

煤油及其替代燃料点火延迟特性实验研究

为研究煤油的点火特性,在反射型激波管中测量了煤油及替代燃料的点火延迟时间。通过测量激波压力信号和OH自由基光强信号,分析了点火温度、当量比对煤油点火延迟时间的影响。实验温度范围为1100~1800K,压力为0.1MPa,反应当量比为0.5,1.0,1.5。选用正癸烷(80%)和三甲基苯(20%)组成的替代燃料,在相同实验条件下比较了替代燃料对煤油点火模拟的准确性。结果表明随着点火温度升高和当量比的降低,煤油及其替代燃料的点火延迟时间缩短,点火延迟时间的对数与温度倒数成正比。选定的替代燃料可以较好地模拟实际煤油的点火延迟过程。     

超临界航空煤油喷射到大气环境的喷射特性

用纹影系统对超临界RP-3航空煤油喷射到大气环境中的喷射特性进行了试验研究.在纹影照片中可以看出喷嘴出口下游产生了桶形激波、马赫盘和斜激波,射流近场结构与高度欠膨胀空气射流非常相似.测试结果表明马赫盘的位置随着对比压力的增大而增大,对比温度对马赫盘位置的影响不大;马赫盘的直径随着对比温度的升高而减小,随着对比压力的增大而增大;射流的喷射长度随着对比压力的增大而增大,随着对比温度的升高而减小.      

航空煤油RP-3结焦产物的物性

在环境温度为800K和900K条件下,获取RP-3航空煤油结焦产物,通过试验获得表观形貌及物性,拟合了结焦产物的比热容和导热系数随温度变化的经验关系式。结果表明:航空煤油结焦产物的微观结构为球状颗粒堆积且表面存在可见孔隙,表观密度约为1 049kg/m~3,真密度约为1 498kg/m~3,孔隙率约为29.9%,环境温度为800K下生成的油焦真密度较900K下生成的小;通过闪光法测得油焦比热容约为1.1~2.2J/(g·K),导热系数约为0.19~0.28W/(m·K),比热容和导热系数均随着温度的升高而增加,环境温度为800K下生成的油焦比热容和导热系数较在900K条件下生成的略大。     

航空煤油替代燃料模型热物性

研究基于国产航空煤油RP-3液相组分数据,提出了单组分、简化3组分和详细13组分3种替代燃料模型,并对采用3组分替代模型计算得到的燃料密度、黏度、导热率、比热容4个热物性参数进行了在不同温度(300~1000K)和压力(1~15MPa)状态下的分析.结果表明,燃料的物性在超临界压力下,随着温度升高,密度减小,黏性降低,热导率则先降后增,而比热容逐渐增大,同时,在拟临界温度附近,燃料热物性均发生变化剧烈,比热容在不同压力下对应不同峰值点,在3MPa下最大;压力的变化会使得拟临界温度发生改变,给密度的变化程度、比热容的峰值分布和热导率的大小带来一定的影响.采用3组分替代模型预测燃料热沉,经实验验证,其物理热沉吻合较好.      

RP-3航空煤油物理替代燃料模型及应用研究

针对现有物理替代燃料构建方法需要大量实验数据来完成多目标优化计算,导致替代燃料构建成本过高的问题,提出了基于分子结构相似来构建物理替代燃料的方法。基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,构建了一个能描述RP-3航空煤油主要物理性质的三元替代燃料模型。以正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯为基础燃料,用以匹配目标燃料的四种官能基团:CH_3,CH_2,CH和苯基。在不同压力、温度条件下测试了替代燃料模型计算密度、黏度、比热容和导热系数等物性参数的精确性,结果表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。最后将得到的替代燃料模型应用于管道对流换热数值模拟中,用以模拟航空煤油再生冷却过程。模拟值与实验值吻合良好,证明了本文替代燃料构建方法的有效性和实用性。     

双S形进气道焊接时存在的问题及解决方法

进气道筒体纵向呈双S形曲度,分三块拉伸成形后,采用氩弧焊组合焊接;整个焊接组合件由筒体与角材连接（采用电阻缝焊和氩弧焊）而成。焊接时容易产生气孔、焊接变形和漏气,焊后整体气密检查困难,采用相应措施后,解决了上述问题。     

脉冲纹影技术及其在超声速燃烧室流场显示中的应用

超声速燃烧室内部流场具有流速快、温度高、背景光辐射强等特点,其流场显示较为困难.为此设计了一套脉冲纹影系统,该系统通过缩短曝光时间来冻结流场;另一方面,利用脉冲火花光源在短曝光时间内脉冲放电能量远高于燃烧室背景辐射能量的特点,有效消除了燃烧室背景辐射的影响.利用该系统对马赫数3.0的超临界煤油燃烧流场结构进行研究,得到了超临界煤油燃烧过程的清晰流场结构图像及其演化过程.     

超临界压力下航空煤油流动与传热特性试验

本文针对超燃冲压发动机再生冷却系统运行条件,实验研究了大庆RP-3煤油在超临界压力下的流动和传热特性,目的在于研究煤油在各种工况下的流动参数变化以及对流传热规律。煤油通过二级煤油加热/输运系统加热,试验的煤油压力约2.6M～5.0MPa,油温约300～800K。相应的壁面热流密度为10～300kW/m2。通过油温与壁温的同步测量,结合非定常传热分析,获得了超临界压力下、亚/超临界温度范围内煤油的流动和传热物理参量的变化曲线。     

煤油燃气温度的测量方法研究

在全面分析煤油燃气辐射特性的基础上，结合煤油燃气的具体特点，提出了适合于测量煤油燃气温度的辐射测量方法[4]，并且建立了辐射测温系统，通过对煤油燃气温度的实际测量，验证了辐射测温法测量燃气温度的可行性。