固体燃料冲压发动机尺寸对燃速的影响

在固体燃料冲压发动机平均燃速理论分析基础上，通过数值模拟，得出燃速与燃烧室直径和压强的指数表达式，得出了燃速与燃烧室相对长度，入口台阶相对高度和喷喉相对直矩之间的定性关系，并比较了理论分析和数值模拟之间的差异。本文的研究对固体燃料冲压发动机的设计和实验有重要意义。     

固体燃料冲压发动机两个理论问题的探讨

研究了固体燃料冲压发动机有关的两个理论问题。     

固体燃料超燃冲压发动机研究概况

对固体燃料超燃冲压发动机的应用背景、潜在优势,以及国内外研究现状和进展做了详细阐述。从固体燃料超燃冲压发动机工作原理、固体燃料类型、数值模拟以及实验研究等方面出发,论述了固体燃料超燃发动机研究的进展和难点,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热量分布与表面火焰传播等方面还需要深入研究,需建立不同固体燃料的受热行为模型;应用大涡模拟方法分析微尺度下流场结构并耦合固体燃料传热传质过程的可行性需进一步确认;考虑飞行参数,进气道与隔离段性能的发动机整体数值模拟工作需要进一步加强。     

固体燃料冲压发动机研究进展

针对固体燃料冲压发动机，通过分析国内外现状讨论了其应用前景和发展趋势。     

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。     

前台阶内型面对固体燃料冲压发动机燃烧性能的影响

为研究不同内型面对固体燃料冲压发动机燃烧性能的影响,以聚乙烯(PE)为固体燃料,设计了前台阶内型面结构,采用数值仿真与地面直连式实验相结合的方法,分析了不同药柱台阶高度对燃料平均燃速和当地燃速的影响,得到了补燃室压强随时间的变化规律。研究结果表明,固体燃料台阶高度越高,平均燃速越大;在台阶前段,当地燃速较小,随着轴向位置的推移,当地燃速逐渐增大,在台阶处达到最大值,台阶之后,当地燃速逐渐减小;靠近台阶处,台阶高度越高,燃烧室内化学反应越充分。     

固体燃料超燃冲压发动机原理性试验研究

进行了固体燃料超燃冲压发动机实验研究,并成功进行了点火和燃烧实验,包括固体碳氢燃料超音速燃烧试验和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)超音速燃烧试验。实验验证了固体燃料在超音速气流中能可靠点火,并保持了火焰的稳定燃烧,获得了固体燃料的超音速燃烧内弹道特性,同时研究了固体燃料PMMA在超音速气流中的燃烧,分析了其在超燃冲压燃烧室内的退移规律,认为燃料退移速度随时间变化,燃烧趋向于将燃面轮廓变平,区域显示圆柱形。     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室掺混燃烧数值研究

根据国外研究机构的直连式试验数据,设计了固体燃料超音速燃烧室模型,建立了超音速燃烧数值计算的数学模型,通过数值模拟获得了超音速燃烧室流场内的气体状态参数分布。结果表明,超音速燃烧室静压随轴向距离的增加而逐渐降低;流场中心区域为混合超音速流动,而后向台阶的圆周区域为亚音速流动;燃烧效率随轴向距离的增加而增加。     

固体燃料冲压发动机研究进展

通过分析固体燃料冲压发动机内部燃烧和流动过程，建立了固体燃料冲压发动机内弹道计算模型。在数值模拟基础上，分析了发动机内流场结构和燃速特性。理论计算表明发动机内流场呈现很强的二维特征，附着点位置与入口台阶高度和燃烧性能有关。为验证计算结果，设计并建成了固体燃料冲压发动机实验系统。     

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。     

固体发动机推进剂燃速预估研究

介绍了用随机小尺寸试验发动机平均燃速预估全尺寸发动机燃速的方法，讨论了全尺寸发动机燃速预估精度及其影响因素，并通过实例指出提高全尺寸发动机燃速预估精度的主要途径。     

基于BDP多火焰模型的简化复合固体推进剂燃烧数值分析

复合固体推进剂是一种典型的具有细观异质结构的含能材料,其细观结构形态非常复杂,研究其燃烧火焰结构,首先需针对复合推进剂特点,建立简化的细观几何模型与合适的燃烧模型。文中引入异质"推进剂胞元"的思想,对复合推进剂细观结构进行简化,并应用基于BDP理论燃烧模型的多步化学反应动力学机制,建立AP/HTPB三明治推进剂2-D细观燃烧数值模型。计算分析考察了不同环境压强与推进剂计量数(HTPB宽度)对火焰结构、燃面几何型面及燃烧速率的影响。计算结果与相关文献研究结果相符,证明了该模型的有效性。三明治推进剂模型燃烧数值模拟可捕捉到推进剂燃烧火焰细观结构,并提供相关燃烧场详细信息,其结果可用于检验或改进各种理论燃烧模型,并为从细观层面预示异质推进剂宏观燃烧性能提供一种科学可行的数值模型与研究方法。     

考虑地球非球形摄动的固体动能拦截器助推段最优控制方案研究

针对三维空间内的高速飞行目标,提出了一种可用于固体动能拦截器助推段的精确最优控制方法。考虑了地球非球形摄动的影响,建立了有限推力拦截器最优控制问题动力学模型,并用直接配置法与SQP方法进行了数值求解,得到了更加精确的助推段控制方案。算例证明该方法有效。     

基于PIPA技术的固体推进剂无损检测研究

针对国内现有无损探伤方法无法检测固体推进剂微观缺陷的情况,引入光致正电子湮灭分析方法,即PIPA(Photon Induced Positron Annihilation)。该方法利用加速器产生的高能光子引发的正电子与固体推进剂作用来检测其缺陷,能在固体推进剂宏观缺陷出现前检测出其微观结构的变化。介绍了PIPA原理,并通过试验讨论了温度、拉伸速率及推进剂的力学性能等因素对利用PIPA进行固体推进剂探伤结果的影响,所得结论与固体推进剂的常规测试具有一致性,证明了PIPA用于固体推进剂无损探伤的可行性。     

基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的HTPB推进剂贮存寿命预估

针对Arrhenius方程将活化能假设与温度无关的常数,给HTPB(端羟基聚丁二烯)推进剂寿命预估引入了误差的问题,提出了基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的寿命预估方法。对HTPB推进剂进行了高温加速寿命试验,以最大延伸率作为性能变化表征参数,根据老化反应速率常数随温度的变化关系,建立了马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型,对常温条件下推进剂的老化反应速率常数进行了预测,并预估了HTPB推进剂在常温条件下的贮存寿命为11.74 a。     

基于固体微推力器阵列的卫星控制一体化算法

为了使固体微推力器阵列更具实用性,提出了一种适用于一体化控制的推力器布局方法;对基于固体微推力器阵列的推力器姿轨控分配算法问题分别进行了建模,引入了成本概念,保证推力器使用个数最少;将动态规划及贪心策略思想引入到了推力器分配问题求解中,建立了求解数学模型,进行了算法实现;对用于一体化控制中的推力器分配问题以及信息共享问题进行了分析。经过算法分析及仿真验证,该方法能有效快速求解该问题,有利于实现实时控制,能满足一体化控制的要求。     

基于BDP模型的AP/HTPB推进剂燃速参数敏感性分析

稳态和非稳态燃烧模型对于研究AP/HTPB复合推进剂中低频下的压强耦合特性问题是十分重要的,可信的稳态计算结果是非稳态计算的前提。在应用稳态燃烧模型对推进剂的燃速进行计算时,参数值的选取对计算结果具有很大的影响。针对AP/HTPB复合推进剂燃烧特性,在BDP多火焰结构理论的基础上,采用了AP/HTPB复合推进剂稳态燃烧模型,并对模型进行了数值计算,研究了AP和HTPB的指前因子和活化能及δ参数对推进剂燃速的影响。计算结果表明,AP活化能Es,ap的取值对推进剂燃速结果影响较大,在高压下更为敏感;HTPB的指前因子As,b对燃速几乎没有影响,其活化能Es,b对燃速影响较小,高压条件下,影响作用略微增强;参数δ值的选取对计算燃速值影响很大。     

复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究

基于线弹性断裂理论，提出了一个适合复合固体推进剂的脱湿微裂纹损伤发展方程，通过部分单向定速拉伸试验数据拟合确定其主要的细观参数，从而得到了复合固体推进剂在细观水平上完整且封闭的本构方程组。该模型不仅得到了单向拉伸试验结果的验证，而且在较大范围内可有效地预测不同应变率下的单轴定速拉伸力学性能。     

固体推进剂多失效模式相关的贮存可靠性评估

对丁羧(CTPB)推进剂的自然贮存数据进行分析,采用多失效模式相关的可靠性模型,根据推进剂的抗拉强度变化、燃速变化和密度变化导致推进剂失效以及这3种失效模式之间的相关性,对推进剂的贮存可靠性进行了评估,得到了丁羧推进剂可靠寿命约为10 a的结论。结果表明,考虑失效模式之间的相关性时,丁羧推进剂的贮存可靠度大于假设失效模式相互独立按串联模型计算的贮存可靠度,小于单一失效模式贮存可靠度的最小值,结果更加合理可信。     

基于BP神经网络的固体推进剂性能预示方法研究

简述了人工神经网络的原理,利用MATLAB的神经网络工具箱建立了有关固体推进剂性能参数的BP网络模型,并利用数据库的数据对网络模型进行训练和检验。具体实例表明,利用神经网络建模对固体推进剂的性能参数进行预示计算,简便易行,预示精度高。