固体推进剂火箭发动机喷管形状最佳化

喷管形状结构对固体推进剂火箭发动机效率和性能会产生影响,这篇文章对这种影响提供了理论分析判断方法。这个理论方法利用比冲(Isp)确定发生在发动机中的流动和热损失。在分析中考虑了由于扩散、摩擦、热、粒子滞后,烧蚀和化学不平衡引起的损失。本文用抛物线、园弧和特征流线方法(MOC)构成喷管形状,对发动机性能进行比较。这些形状的差别是用最佳初始膨胀角和最佳折回角(初始角与出口角之差)来表示,在喷管形状参数(长度和直径)同定的情况下,研究了典型的低空和高空的发动机。这些计算的结果对喷管形状设计给出了有益的理解。研究指出: 第一:最佳初始膨胀角和最佳折回角随型面类型而变化。第二:对于抛物线型、园弧型和特征流线型的喷管,固定形状参数可以得到的最大比冲基本上是相同的。第三:如果喷管不是最佳形状,就出现明显的性能损失。第四:这个理论比冲预测方法能有效地运用到固体推进剂火箭发动机喷管形状设计中去。     

固体火箭发动机喷管效率计算

采用半经验法计算了固体火箭发动机喷管的效率，即用计算流场的方法确字喷管二维两相流损失和边界层损失，用SPP经验法预示了喷管的化学动力学损失，喷管烧蚀损失和喷管潜入损失。利用该方法对几个实际固体火箭发动机喷管效率进行了计算，计算结果与实际结果比较符合，精度偏差在1％之内。     

固体火箭发动机凝聚相微粒分布研究现状

凝聚相微粒尺寸分布对固体火箭发动机燃烧室效率和喷管效率有影响。本文介绍了引起固体火箭发动机两相流动损失的凝聚相微粒尺寸分布、测试方法的研究现状。     

固体火箭发动机喷管型面最佳化技术的研究

本文分析了喷管型面结构对固体推进剂火箭发动机性能和效率的影响。本研究使用三种分析方法,它们是:赫克力斯的Ⅰ_(SP)法(HIMET),固体性能程序(SPP)和普度大学 Jo-seph Hoffman 博士的直接寻求法。这些分析方法确定发动机中的流动和热损失,并以比冲(I_(SP))损失表示。在本分析中,分别考虑了扩散、摩擦、热、粒子滞后、侵蚀和化学不平衡等方面带来的损失。对采用抛物线、园弧线和特征线的喷管型面的发动机进行了性能比较。在固定喷管外轮廓(长和直径)不变的条件下研究了典型的低空和高空工作的发动机。这些计算结果对喷管型面设计有了有益的深入理解。本研究指出:第一,最佳起始扩散角随所采用的喷管型面和分析方法而变;第二,对于给定的喷管外轮廓,不论是抛物线型面、园弧线型面还是特征线型面,所获得的最大比冲基本上是相同的;第三,如果喷管型面不是最佳,就会出现明显的性能损失;第四,分析的Ⅰ(SP)预示方法能有效地用于固体推进剂火箭发动机的喷管型面设计;第五,可延伸出口锥能改进主喷管的性能。     

固体火箭发动机反喷管打开后的瞬变参数辩识研究

大量研究表明,在固体火箭发动机反向喷管打开的瞬变过程中,发动机的瞬变燃速、反喷管的流量收缩因子和反喷管的开放函数对内弹道性能预示有较大的影响,但这些参数难于用一般方法精确确定,本文提出用控制论中的辩识技术来确定这些瞬变参数的方法,通过对真实发动机的瞬变参数辩识,证明了该方法具有真实性好、快速、准确、经济的特点,在工程应用上是可行的和可靠的,是工程计算和分析瞬变参数的一个新途径。     

大推力液体火箭发动机的近期发展

液体火箭发动机是大型运载火箭和天地往返运输系统的重要组成部分。本文首先介绍了影响大型液体火箭发动机发展的因素,然后按国别分别介绍了美国、欧洲、日本和原苏联近期和未来大型液体火箭发动机的研制概况。     

Vulcain 2发动机研制进展

Vulcain 2发动机将作为阿里安5改进型运载火箭的动力装置,与现有的阿里安5火箭相比,新阿里安火箭通过提高发动机推力和组元比而使性能更高.新发动机在Vulcain发动机基础上重新设计了氧涡轮泵、燃烧室和喷管扩张段,而其他组件(氢泵、发生器阀、管路和供应系统等)仅作了适应性改进.本文介绍了发动机的试车情况、研制成果以及研制进展情况.     

液体运载火箭长细比设计研究

在运载火箭的总体设计中,火箭长细比是一个非常重要的设计参数,它对火箭构型方案的确定、箭体直径的选取等具有决定性影响,通常需要综合权衡载荷、结构效率、姿控稳定性、生产制造以及运输等多方面的因素来确定,火箭长细比设计对箭体直径统一、火箭型谱研究也有重要意义。梳理了火箭长细比设计过程中应遵循的原则,简要介绍了火箭长细比优化设计的方法和途径,并分析了长细比对运载火箭设计的主要影响。     

基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化

固体运载火箭设计属于典型的多学科设计问题,为提高同体运载火箭设计水平和缩短研制周期,提出了基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化方法.建立了固体运载火箭多学科系统分析模型,以卫星轨道设计计算得到的运载火箭关机点参数和最小火箭起飞质量为设计准则.采用物理规划方法构造系统级火箭总体设计优化模型,以发动机总体性能指标为设计准则,采用物理规划方法构造子系统级发动机设计优化模型.通过系统级总体设计优化和并行的子系统级发动机设计优化的嵌套循环,得到满足火箭运载能力的各级固体发动机最优设计结果,即得到内外弹道相匹配的发动机最优推力-时间曲线.     

环簇式塞式喷管在固体火箭发动机上应用探讨

对可应用于固体火箭发动机上的3种塞式喷管的结构特点进行了比较,重点讨论环簇式塞式喷管结构性能。基于目前的设计方法,确定了环簇式塞式喷管与钟形喷管的性能比较方法,进行了尺寸及重量分析,并给出了其在战略导弹第一级发动机和高空发动机的应用算例。结果表明,内喷管喉径是影响环簇式塞式喷管尺寸大小的最主要设计参数;在单元数足够多时,环簇式塞式喷管可比相同面积比的钟形喷管的尺寸更小,重量更轻,推力效率更高;明确了环簇式塞式喷管实际应用所需解决的关键问题。     

复合预冷吸气式火箭发动机热力循环分析

采用热力学第一定律分析法分析了复合预冷吸气式火箭发动机(SABRE)的基本热力过程,得出了吸气模式和火箭模式下的理想循环功和热效率表达式,确定了影响发动机理想热力循环性能的特征参数。结果表明:吸气模式下SABRE核心机采用布雷顿循环,压气机的增压比和循环增温比是影响理想热力循环性能的关键参数;火箭模式下SABRE采用火箭发动机循环,喷管降压比和出口排气速度是影响理想热力循环性能的关键参数。氦气仅仅在发动机内通过换热器换热实现能量在各循环子系统之间的输运,而其本身并无变化,不对发动机的理想循环功和热效率产生影响。     

喷管型面及其缺陷对发动机效率的影响

通过6英寸直径火箭发动机的静态试车,并用独特的计算机编码进行数据处理,求出了11种不同喷管型面的喷管排出效率和推力效率。确定了具有尖角和大的喉部曲率半径的普通收敛—扩散喷管的效率基准值。用小的园周槽来模拟入口斜面和出口锥的粗糙度缺陷。出口锥的冲刷用切割1.5英寸和4英寸半径的单个园周糟来模拟。入口和出口锥面的小糟对喷管排出效率和推力效率没有多大影响。出口锥面上的大园周糟使推力效率降低约4%。具有大的喉部曲率半径的潜入喷管的效率和普通喷管一样。设计低劣的喷管,其推力效率损失预计可达8%。     

战术火箭/固体火箭发动机一体化优化设计

在综合考虑发动机内弹道性能与火箭外弹道关系的情况下，融内外弹道为一体，系统分析了发动机装药参数，燃烧室设计参数、喷管设计参数、尾翼参数对发动机性能及全弹性能的影响，针对远程战术火箭，建立了火箭总体／固体火箭发动机一体化优化的模型。在所建模型基础上，以火箭弹总体性能最佳目标，对总体和发动机设计参数以及药柱几何参数同时进行优选，完成了九个变量的寻优计算，取得了满意结果。     

串联双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算

探讨了双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算方法，并给出了混合燃气参数的处理方法，综合考虑了燃烧室热损失，喷管效率，喉部烧蚀和装药的侵蚀燃烧对内弹道性能的影响，为发动机内弹道性能计算提供了一套更实用的工具。     

跨声速喷管化学反应流数值模拟

火箭发动机工作是极复杂的物理化学过程，在喷管内气体的为三维、多相、粘怀、化学反应、跨声速流动。预估发动机的性能时，不仅要计算多相流损失、粘性、扩散损失，还要计算由于化学反应引起的化学动力学损失等，这就要对喷管内的各种流动现象作仔细的计算分析。本文采用Ｎａｋａｈａｓｈｉ半隐格式，用时间相关法计算了一维和轴对称喷管跨声速化学反应非平衡流场，得到了正确合理的结果，在跨声速喷管化学反应流仿真计算上作了初步     

火药起动系统对发动机起动性能的影响分析

针对采用火药起动器起动的泵压开式循环液体火箭发动机,对其起动系统进行了分析和研究。建立了液体火箭发动机火药起动器计算模型和起动系统燃气管路流场计算模型。将所建立的起动系统模型应用于发动机系统仿真,对发动机火药起动过程进行仿真,分析了起动系统中火药起动器参数和燃气管路参数对发动机起动性能的影响,确定了主要影响参数和影响规律。火药起动器火药药柱内径、火药药柱长度以及燃气管路火药起动器喷管喉部直径为强影响因素;燃气管路涡轮喷嘴喉部直径和管路出口直径在确保发动机火药起动主要工况段燃气管路流场流态为额定工况流态的前提下,为弱影响因素。试验数据验证表明,发动机起动系统的仿真结果正确、可信。     

以RD——0120发动机为基础的可重复使用火箭动力装置

美国和俄罗斯在国际上首先开展了低成本运载有效载荷到轨道的研究工作。政府和火箭承包商正在论证和研究未来低成本运载火箭的关键特性,低成本运载火箭的两个关键特性是火箭的可重复使用性和火箭发动机的可操作性。由化学自动化设计局设计生产的 RD—0120 LOX/LH_2发动机已经分析验证了的高性能和先进的可重复使用性,使它成为可重复使用运载火箭(RLV)动力装置的关键候选对象之一。这个高室压(21.86MPa)、高性能(真空比冲4466.9m/s,真空推力1961.67kN)的分级燃烧发动机已经在能源号重型运载火箭上成功地完成了两次飞行。研制期间,发动机的长寿命、推力范围、节流和连续工作时问等特性都经过了验证。这些都是低成本、高可靠、可重复使用推进系统的要求。双组元的 RD—0120发动机通过更换富燃预燃室和增加一个煤油涡轮泵也可以很容易的改造为一个可靠的低成本三组元发动机。为了验证这个双组元发动机高的可操作性和可重复使用性,一个由航空喷气公司、化学自动化设计局和 NASA 马歇尔空间飞行中心合资生产,用于可重复使用运载火箭和单级入轨火箭动力装置的国际计划及三组元发动机可能的关键特性设计正在进行。本文对现在的 RD—0120发动机可操作性和重复使用性的改进进行了阐述。而且对如何更进一步地改进,使 RD—0120发动机成为可重复使用运载火箭推进系统的理想候选对象进行了研究。另外,已经草拟了研制三组元的 RD—0120发动机的研制计划,主要是一个高置信度的飞行演示火箭。     

燃气舵控制效率的理论和实验气动力的相互关系

本文介绍了浸入火箭发动机喷管热气流中的四个相互正交的燃气舵控制的空气动力(或气体动力学)性能估算理论和静态地面发动机试验情况.说明采用三轴(俯仰、偏航和滚动)控制系统(在火箭发动机喷管上附加燃气舵组件)可以增强导弹的控制、机动能力和垂直发射及转弯期间的弹道控制.燃气舵控制效率是采用超音速空气动力学理论,并考虑了真实气体成分、干扰和锥形喷管流来估算的.燃气舵升力、阻力、压力中心和滚动转矩的估算结果同静态发动机试车结果十分符合.     

火药起动系统双喉道管路特性分析

起动系统工作特性是液体火箭发动机研究的重点之一。对于采用火药起动器起动的液体火箭发动机,火药起动器后双喉道管路对起动系统的功效以及发动机的起动性能影响巨大。针对火药起动器以及起动器后双喉道燃气管路建立了计算模型,并通过试验数据对模型进行了验证。利用模型计算分析了火药起动器喷管喉部直径、起动器喷管扩张比、起动器及涡轮喷嘴喉径比等参数对火药起动器和燃气管路工作特性的影响。根据管路的工作特性,提出了一种双喉道燃气管路的设计方法。     

俄罗斯三组元发动机在单级入轨(SSTO)中的应用

本文研究了RD-704三组元发动机在SSTO中的应用问题,对固定位置喷管和双位置喷管发动机进行了分析。使用POST(弹道优化计算软件)进行了弹道优化设计,并采用CONSIZ(质量尺寸软件包)确定了火箭的尺寸。数据分析结果表明,当模式1中氢流量占总流量的6％,模式2中膨胀比分别取为70和115,混合比取为6时,采用双位置喷管发动机的火箭干质量最小。尽管如此,采用最佳设计的双位置喷管的火箭干质量仍比采用固定位置喷管时为大。