气氢/液氧同轴喷注器变工况燃烧流场相似性

为研究不同室压工况下气氢/液氧燃烧流场的相似性,设计了喷注器试验件,并采用数值仿真和热试验的方法对气氢/液氧喷注器的喷雾燃烧流场进行了研究。数值仿真选取试验件的1/6进行三维稳态计算,其中湍流模型采用SST k-ω模型、化学反应采用考虑氢氧6组分9步反应机理的涡耗散概念模型、液氧液滴采用离散相模型,共进行了2.8～9.8 MPa范围内8种典型工况的数值仿真。热试验采用气氢/液氧推进剂,进行了4.5 MPa、5.4 MPa和6.8 MPa这3种不同室压工况共4次挤压热试验,采用量热式水冷身部对燃烧室壁面热流进行了测量。仿真和试验结果表明：对于气氢/液氧同轴直流喷注器,在混合比、氢氧温度和喷注速度相同的情况下,当室压大于液氧临界压力时的燃烧流场具有相似性;而室压小于液氧临界压力时的燃烧流场与大于临界压力的燃烧流场结构存在差异。     

凹进和非凹进旋流同轴式喷嘴的比较研究

试验评定了液氧/氢旋流同轴式喷嘴的燃烧性能。水/氮气的冷流试验发现液氧出口凹进的旋流同轴式喷嘴的流动具有自身脉动的特征。在2.6和3.5MPa 室压、850和500N 推力、4.0～8.0混合比的条件下进行单喷嘴燃烧室的燃烧试验。试验中测量、分析了每种喷嘴燃烧室壁的燃烧性能、室压分布及热载荷。结果表明:对于直流同轴式喷嘴,燃烧性能主要受蒸发效率所控制;对于旋流同轴式喷嘴,燃烧性能主要受混合效率所控制。已发现凹进旋流同轴式喷嘴的燃烧室壁的热负荷明显地增加了,并且在某些状态下还出现了不稳定燃烧。     

气氢/液氧同轴喷注单元细节对燃烧特性的影响

为了研究气氢/液氧同轴直流式喷嘴的结构参数细节对燃烧特性的影响,对单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟.重点研究了氧喷嘴缩进深度、氧喷嘴出口壁厚和氢氧喷注速度比3个参数对燃烧效率和稳定性的影响规律.研究表明：上述喷嘴结构参数细节是影响气氢/液氧同轴直流式喷嘴燃烧特性的重要因素,其中适当提高氧喷嘴缩进深度或氢氧喷注速度比对燃烧效率有显著改善,而适当提高氧喷嘴出口壁厚对燃烧稳定性有显著改善.     

高深宽比冷却槽在89kN推力燃烧室中的验证

为了验证大型火箭发动机燃烧室高深宽比冷却槽的性能优势,美国对高压89kN推力采用高深宽比冷却槽的烯烧室在NASA一刘易斯研究中心火箭发动机试验室进行了室压为5.5～11.0MPa的高压试验。使用的推进剂是气氢和液氧,额定混合比为6,液氢作冷却剂。该燃烧室装有30个背侧表皮热电偶、9个冷却通道肋热电偶和10个冷却通道压力引出接头。在这个燃烧室上总共完成了29个热循环,且每个热循环都有一秒钟的稳态燃烧。在25个热循环中,冷却剂的流量与燃料流量相等。其中4个热循环冷却剂质量流量逐渐下降5%、6%、11%和20%。冷却通道肋热电偶平均值与计算值的偏差在9%以内,冷却通道压降的偏差在20%以内。在喉部区域,燃烧室的气壁温比常规冷却燃烧室降低了25%以上。降低冷却剂质量流量产生的压降与满流状态相比降低了27%以上,而气壁温与常规燃烧室相比,仍然保持降低13%以上。     

液氧/甲烷火箭发动机燃烧室稳定特性的实验研究

该研究的目的在于阐明液氧/甲烷火箭燃烧室的燃烧稳定特性、重点强调喷射速度比对燃烧稳定性的影响。试验使用了14kN 没有任何稳定性辅助设备的燃烧室,所用的四个同轴式喷注器具有不嗣的喷射速度比,V_ /V_0,试验范围逐渐从5.6提高到24,燃烧室压力3.5MPa,氧化剂与燃料之比从3.0到5.0。稳定性评估实验采用了直接喷射气体和脉冲枪两种方法,喷射氧气和脉冲枪两者均产生强烈的压力扰动,其分别是燃烧室平均压力的30%和100%。在所有试验条件下,所引起的一阶纵向和一阶切向压力扰动都很快地被抑制。试验条件包括了低的 V_ /V_0状态,在该情况下,NASA 路易斯研究中心177.93kN 的液氧/甲烷发动机出现了不稳定燃烧。本文采用了费勒—赫德曼(Feller——Heidmann)稳定性分析法来分析设计和工作参数对稳定性的影响。     

未来运载器液体火箭发动机推力室技术研究

Astrium的航天基础技术分部(SI)正在研究下一代部分可重复使用和可重复使用液体火箭发动机的相关技术.本文总结了对以下主推力室组件所进行的技术研究工作喷注器、主燃烧室、喷管延伸段.对于高性能分级燃烧循环发动机,先进喷注器的研究重点是气态推进剂的喷注.已经为Astrium的燃烧室设计了能够喷注液氧、冷却剂氢和预燃室热气体的喷注器.另一项工作是低成本喷注器方案研究,使单喷嘴的质量流量为标准喷嘴的四倍.对于主燃烧室,可以预见的可用技术是提高可重复使用推进系统中推力室的寿命.本文研究了一种弹性内衬和一种先进热防护壳体.文中给出了这两项技术的缩尺燃烧室试验结果.另一项主要工作是增加先进高性能胀膨循环发动机燃烧室壁的热传导.本文汇总了不同结构的缩尺燃烧室试验结果.对于喷管延伸段,研究重点是陶瓷基复合材料喷管延伸段,最近对缩尺试验件进行了试验,将燃烧室试验压力提高到8MPa.对于未来的高面积比方案(HARC),最近正在设计一种热量测量喷管延伸段,用于测量在满流和分离流状态下的热传导.     

增强大推力火箭发动机燃烧稳定性裕度的方法

针对重型运载大推力液体火箭发动机自发激励高频燃烧不稳定性的技术风险,总结和分析了影响大推力液氧煤油火箭发动机燃烧稳定性裕度的因素,主要包括燃烧室声学固有频率、燃烧室结构和喷嘴几何结构。结果表明:发动机喷注器附近的推进剂燃烧区、燃烧室收敛段对燃烧室声学固有频率有较大影响;燃烧室长度为燃烧室直径的0.205倍或0.205的奇数倍时有相对最好的燃烧稳定性;气液同轴式喷嘴长度为燃烧室一阶切向振荡频率的0.5倍时,能传递最大的振荡能量。最后,提出了一种增强燃烧稳定性裕度、避免出现切向振型高频燃烧不稳定性的燃烧室设计方法。     

液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

针对液氧煤油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性这一突出问题,建立了喷注单元的低压高频燃烧不稳定性模拟试验系统,使用气气推进剂。利用相似准则设计了缩比燃烧室,研究了全尺寸气液同轴式喷注器的结构尺寸和工作参数对燃烧稳定性的影响。结果表明,激发高频燃烧不稳定性时火焰变短,燃烧室压力出现大幅振荡并伴随啸叫;喷注器缩进室长度对燃烧稳定性裕量有很大影响并存在相对最佳值。试验结果可以指导发动机燃烧室的燃烧稳定性设计和评估,在发动机研制初期筛选燃烧稳定性相对最好的喷注器结构。     

液氧/液氢缩尺同轴离心式喷嘴试验

为了获得高性能的实用的大尺寸同轴离心式喷嘴的设计参数,分别用九个同轴剪切式喷嘴和九个同轴离心式喷嘴的多喷嘴燃烧室进行了试验,额定推力为10kN,室压为3.5MPa,混合比为4.5～7.5,氢的喷前温度为40～50K。通过试验,获得了每种喷注器的燃烧效率、室压分布、室壁热负荷和稳定性数据,并同以前的单喷嘴试验结果进行了比较。测量数据比较一致,并明显地显示出同轴离心式喷嘴和同轴剪切式喷嘴在燃烧特性方面的不同。     

液氧／甲烷气液喷注器试验研究

介绍了液氧／甲烷气液喷注器热试验情况,试验燃烧室压力7．1～7．4MPa,混合比3．5～3．9。研究了不同的喷嘴结构参数对燃烧性能和流量特性的影响。获得了燃烧效率、流量系数、振动、点火性能以及积炭特性等重要参数。     

RP-1/GO_2/GH_2三组元推进剂的燃烧性能

本文采用试验方法评估了火箭发动机燃烧室内 RP—1/GO_2燃烧时喷入气氢所产生的燃烧性能和稳定性。三组元、涡流同轴式单喷注单元安装在25.4mm 的六角形横截面的散热燃烧室内。模块化的喷注器能够控制动量比及随后的推进剂雾化和混合。在不同的混合比、喷射速度和室压下,完成了84次试验,其中部分试验加入了总燃料质量的10%的氢。记录了燃烧性能(C)、燃烧效率(ηc)和高频动态室压。在 RP—/O_2燃烧场中喷入10%的氢可以提高效率、改善稳定性并降低固态碳,火箭燃烧室热点火试验结果表明,在类似的工况下燃烧效率平均从92%增加到97%,燃烧室内的高频压力测量指出声学强度显著下降,总声学功率降低了9倍,在燃烧室一阶纵向频率处平均功率谱密度(PSD)从1.10降至0.15(psi—rms~2/Hz)。除了这些结果以外,加入氢后,积累在室壁上和排气羽流中的固态碳大大减少。这些结果与喷注器类型、氢的喷注位置和喷注动量的关系表明,加入氢将使 RP—/O_2的喷注动力学过程发生变化。     

液氧/煤油高压推力室液膜冷却环局部过热分析

液氧/煤油发动机高压推力室采用了多条液膜冷却环带技术。由于室压高和热流密度大,易出现冷却环带结构局部过热现象,局部过热（甚至局部烧蚀）有时发生在燃烧室收缩段的冷却环上沿。传热计算和对比分析表明,在降低边区混合比的同时,第一冷却环带流量增大25%,可使过热处气壁温下降约35℃。采取增加冷却环带流量、降低燃烧室边区混合比、改善液膜冷却局部喷注结构等措施有利于燃烧室壁面的热防护,可防止局部过热的发生。     

TRW公司的超低成本液氧/液氢助推液体火箭发动机

TRW 公司已经设计、制造并准备测试一台海平面推力为2.89MN 的液氧/液氢火箭发动机.这台发动机的设计给出这样一个启示:对于大型助推火箭发动机,可以通过少量地降低发动机性能而使其制造成本大幅度降低.这种超低成本的助推液体火箭发动机具有极强的生命力。这台泵压式发动机设计的特点是室压低(4.83MPa),从而使发动机主要部件(包括燃烧室、涡轮和供应系统)的成本比高室压设计低得多。这台发动机综合了 TRW 公司论证的针栓式(针阀式)喷注器设计、加衬烧蚀燃烧室/喷管和低成本箔轴承涡轮泵,它们都大幅度地减小了发动机的部件数量、制造成本和试验成本。本文介绍了这台发动机的设计、制造和工作特点,并着重强调了它能大幅度降低发动机制造和试验成本的独有特点。本文还描述了 TRW 公司 Readondo Beach,CA 工厂从计划开始,在不到12个月的时间内设计、制造并组装成功的全尺寸试验样机。     

用于先进火箭发动机的富氧预燃室

洛克达因公司已成功地设计和生产出了富氧的液氧/气氢预燃室,并在燃烧室绝压为14.1～21.3MPa,质量混合比为117—174,推进剂总流量为14.0～23.6kg/s 的工作范围内通过了热试车考验。按费用低、重量轻、易操作等原则设计的先进的富氧预燃室,其推进剂射流都处在同一个平面上(喷注面),以实现沿不冷却的燃烧室轴线方向的均匀燃烧。在八次主级工作时间为1～5秒的试车中,直径89mm 的富氧预燃室喷注器多次反复地验证了其良好的点火、火焰传播和火焰维持等特性,而且当通过测量计算所得的特征速度效率为99%时,没有不稳定燃烧的迹象出现。此时测得的燃气平均温度从260℃(混合比 I_m—174)到538℃(r_m—117),而且每次试验,各方向热电偶的测量值相差不大于24℃。全尺寸的富氧 LOX/GH_2预燃室的成功热试车证明了全流量补燃循环(Full-Flow Staged Combustion Cycle 简称 FFSC 循环)发动机设计的一个关键启动技术已被突破。本报告总结了富氧预燃室的研究情况并进而对确保可靠地实现点火、火焰传播和火焰维持,使预燃室形成高水平的推进剂混合和质流的均匀性的喷注器进行了设计分析。     

高性能的俄罗斯液氧/煤油发动机NK-33

NK—33液氧/煤油火箭发动机是由萨莫拉国家科研生产联合体——“TRUD”为俄罗斯N—1登月火箭研制生产的。这种四级型的 N—1火箭所使用的发动机均为液氧/煤油火箭发动机,其中30台 NK—33发动机用于第一级,8台与 NK—33发动机类似而面积比更大的 NK—43发动机用于第二级,四台 NK—39发动机用于第三级,一台除带有常平座外类似于 NK—39发动机的 NK—31发动机用于第四级。所有上述的液氧/煤油发动机都是六十年代研制的,均采用一个富氧预燃室产生涡轮燃气,气氧与热煤油经过分级燃烧喷注器在8.964～15.169MPa 绝压下燃烧。NK—33、NK—43和 NK—39发动机可控制发动机簇的推力,并提供火箭的推力向量控制。由于采用高室压,NK—33发动机的设计实现了较高的性能和很轻的结构重量。富氧预燃室的采用,使得发动机有较高的燃烧效率和燃烧稳定性。在预燃室中,全部的液氧以58:1的混合比燃烧,所产生的628.15K 的富氧燃气全部用来驱动涡轮泵的涡轮,然后进入喷注器和燃烧室。NK—33发动机的结构牢固可靠,可实现很高的泵出口压力和14.480MPa 绝压的高燃烧室压力,因此,其面积比可达27:1,可产生2913.57m/s 的海平面比冲和3274.1m/s 的真空比冲。气氧和热煤油喷注器可保证发动机推力降至23%推力水平时仍能稳定燃烧。各次试车之间,无需使用溶解剂清洗 NK—33发动机的零件,也没有发动机零件的碳化现象,这是由于取消了富燃料气发生器和降低推力室冷却套中的煤油温度的缘故。NK—33发动机在用于飞行计划以前进行了充分的试验,共进行了910多次试车,累积点火时间达211,800秒。研制和鉴定完成后,先后共交付了250台 NK—33发动机,可靠性指标达到0.996。已经证实,NK—33发动机是一种高性能的助推发动机。它结构牢固可靠;所采用的技术,到目前为止,未见于美国的发动机。NK—33发动机可凭借低成本和高飞行可靠性改进运载火箭的性能。     

用液氧喷注对下游稀释的富氧预燃室

采用理论计算的分析方法,对全流量循环液体火箭发动机的富氧预燃室进行了概念性研究。合理的设计方法是:首先让推进剂以接近化学当量比进行燃烧,然后用液氧稀释。考虑了两种对高温燃气进行稀释的方法。第一种方法是液氧从燃烧室室壁沿径向喷入高温燃气,第二种方法是在喷注器面下游液氧沿轴向喷入。计算表明,在一定的工作条件下,两种方法都能得到均匀、低温的温度分布。本文的计算结果已用来设计原理性研究的缩尺试验件,该试验件采用轴向喷入方法,具有潜在的合理性,将在宾夕法尼亚进行试验验证。     

液氧/甲烷高压补燃火箭燃烧室研究

采用一台小型推力室对液氧/甲烷推进剂的高压补燃火箭燃烧室进行了实验评估,富燃预燃室和主燃室均单独进行了试验.预燃室/主燃室装置的试验条件是:主燃室压力7—9.6MPa,混合比3.1—3.7.预燃的燃气温度760—1070K,推力范围4.6—6.4kN.试验评估了在使用不同类型的主喷注器和预燃室喷注器时,预燃室和主燃室的燃烧性能、主燃室内的热通量分布以及室壁和喷嘴表面的积碳特性.此外,还推导了表征主燃室燃烧效率的经验公式.实验装置的任何部位均未出现严重的积碳,也未检测到由于室壁的积碳而引起热通量的明显减小.     

气氧/气甲烷火炬点火器设计及试验

针对某型液氧/甲烷火箭发动机,为寻求多次使用的点火器,提出了变结构气氧/气甲烷火炬式点火器设计方案。根据设计要求及技术指标,对点火器进行了变结构、变缩进长度及变混合比试验,验证了点火器设计的可靠性。试验结果表明:混合比越大,燃烧室压强越大,出口补燃情况不发生改变; 缩进长度的变化不影响燃烧室压强及出口补燃情况的变化; ...     

富氧燃气发生器液氧供应系统频率特性分析

为了研究富氧发生器液氧供应系统的动态特性,详细考虑液氧头腔中的流动过程和喷嘴动力学环节,建立了系统的传递矩阵模型。计算了系统在发生器室压扰动下的频率响应特性,并分析液氧头腔体积、喷嘴压降、喷嘴惯性和发动机工况对液氧供应系统动态响应的影响。结果表明,由于液氧头腔的容积较大,液氧喷注导纳主要取决于头腔和喷嘴的动态特性,出口流量幅值在很宽的频率范围内都较高。增大头腔体积,则增大出口流量的幅值,降低头腔中压力响应幅值。适当提高喷注压降或喷注单元的惯性,都能降低液氧喷注导纳的幅值。在低工况下出口流量幅值在300～800Hz之间增大,不利于该频率范围的耦合稳定性。     

燃烧室压力对440N空间发动机性能的影响

采用辐射冷却的铱一铼440N 推力轨道转移发动机,为增加比冲,提高燃烧室压力是最有希望的潜在途径。将燃烧室压力提高达3.5MPa(绝),不仅可以得到3283m/s 以上的比冲,而且可以显著降低发动机结构尺寸和重量。如果就利用现在使用的空间运载器上的贮籍,燃烧室压力提高到1.75MPa(绝)是切实可行的。如果把燃烧室压力提高到3,5MPa(绝),则只需增加一个用电力驱动的小型泵,便可以轻易地实现。推力室热试验采用四氧化二氮/肼,1.75MPa(绝)燃烧室压力试验采用铼材料推力室;3.5MPa(绝)燃烧室压力试验则采用铜材料推力室。在燃烧室压力为1.75MPa(绝),喷管面积比为300:1的条件下,实际比冲可以达到3263m/s。试验结果表明,铼燃烧室温度满足其长寿命极限要求,并且没有遇到稳定性,相容性和热的有关问题。