固体火箭发动机燃气射流流场和声场数值计算

燃气射流噪声是固体火箭发动机工作过程中的主要噪声源之一,射流流场的参数对其产生的射流噪声有重要影响。通过大涡模拟(LES)对不同尺寸喷管形成的超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟,随后在合适的声源面中,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了燃气射流噪声声压级的空间分布。计算结果表明,随着喷管尺寸增大,超声速射流核心区变大,喷口流场波节数增加,对喷管尾流场的影响域扩大,其产生的射流噪声也增强;燃气射流噪声辐射有较强的指向性,在射流轴向30°角方向噪声声压级最大,与相关文献中的试验结果比较吻合。研究结果可为后续固体火箭发动机降噪设计提供参考。     

喷管射流流场及噪音的数值模拟

利用大涡模拟(LES)对喷管超音速高温射流流场进行了三维非稳态数值模拟,根据流场的湍流特性确定声源,选取积分面,利用FW-H方程计算远场观测点的声强,最后与相关文献中的试验结果进行对比.结果表明,该方法得到的计算结果与试验结果较吻合,但由于网格限制,远场的高频声谱存在一定的误差.     

火箭设计参数对发动机喷管效率的影响

运用美国联合陆海空军和国家航空航天局(JANNAF)提出的二维动力学模型修改版,我们进行了火箭喷管参数计算。本文对火箭发动机中能量释放效率作了定义,并将喷管上能量损失分为发散、摩擦和动力学损失。喷管特性设计参数与这些损失的关系也进行了研究。另外,也考虑到了喷管中激波和热损失对喷管效率的影响。喷管能量损失的确定运用了 SSME 和 Vulcan 发动机的喷管型面,后一发动机是未来运载火箭的组成部分。火箭的设计参数由推力、室压、混合比、喷管面积比和喷管几何形状确定。所有这些参数都有系统的变化,本文阐述了它们对喷管效率的影响。这些效率做为数据库用于未来运载火箭进一步的系统分析。     

双钟形喷管的临界评估

本文对双钟形喷管作了临界评估。对双钟形喷管内基本流场的发展、基准喷管型面的设计方法和喷管延伸段的壁面反射进行了讨论。重点考虑从海平面状态到真空状态的转捩性质和它对喷管延伸段型面类型的依赖性。本文中给出了双钟型喷管的参数法数值模拟性能结果,这些计算用来研究双钟形喷管型面造成的附加性能损失,由欧洲航天局完成欧洲未来空间运输研究计划中的先进空间运输构思合同。强调了对双钟形喷管作进一步实验研究的必要性,从而更好地理解双钟形喷管的流场转捩。最后,讨论了转捩现象对系统的附加影响,通过改变室压来保证从壁面反射(海平面工作)到出口平面(真空工作)可控制分离点的突然跳跃,以改善性能。     

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。     

用Langmuir探针诊断MPT羽流

为了探索微波等离子推力器(MPT)羽流的特性,建立了一套Langmuir探针诊断系统并对MPT的羽流进行了诊断,得出了MPT喷管羽流的电子温度和电子数密度等重要特性参数。实验结果表明,所测参数反映了等离子体的特性。与理论计算结果基本相符,并且诊断手段简单易行,为MPT羽流诊断提供了一种实验手段。     

低成本的压缩模压喷管和树脂传递模压喷管

近年来,美国联合技术公司化学系统分部验证了两种低成本的模压喷管,它们可代替目前常用的布带缠绕的碳酚醛喷管。这两种低成本的模压喷管分别采用模压碳纤维填充的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和树脂传递模压(RTM)碳酚醛两种方法成型。 一、PDMS压缩模压喷管 用6种侯选材料分别制成了6台缩比喷管,并在1.8kg发动机上进行了试验。推进剂是84％固体/16％铝粉的PBAN配方。这6种侯选材料是:(1)MXE C926,它是碳织物增强的PDMS;(2)MXE C216,不连续碳纤维增强的PDMS,碳纤维含量40％(重量);(3)MXES602,氧化硅织物增强的PDMS;(4)HTPB,HTPB(R—45—A5)     

随机轨道模型在喷管两相流计算中的应用

应用随机轨道模型对喷管内气-固两相流动进行了数值模拟,结合实验测量结果对使用随机轨道模型和确定轨道模型两种方法的计算结果进行了对比分析,研究了不同固相参数(固相质量比和粒子平均直径)下的固体火箭发动机喷管性能。研究发现,随机轨道模型对实际流动现象的模拟优于确定轨道模型,随着固相质量比和粒子平均直径的增加,喷管两相流损失增加,冲量系数下降。     

多喷管燃气降噪方案可行性数值研究

根据燃气射流噪声的发声机理及辐射特性,提出了采用多喷管代替单喷管进行降噪的方案。以四喷管为例,构建相应的物理及计算模型,综合运用三维大涡模拟得到的近场瞬态流场数据与FW-H面积分相结合的计算气动声学方法,对射流流场及声学特性进行数值研究。通过与单喷管对比,得出多喷管结构在保证发动机质量流率及推力性能的前提下,降低了整个观测区域的噪声,尤其是射流下游,并且还改变了噪声辐射的指向性,起到了明显的降噪效果,验证了该方案的可行性。     

突扩后缩型喷管前腔的流场计算

本文是为解决有关发动机喷管的实际烧蚀问题而进行的喷管前腔流场计算分析的一部分。探讨了SIMPLE算法在复杂边界下运行问题,重点研究了突扩后缩型喷管前腔的流场结构。计算表明:本文所提供的双涡系统与Finaish等人的结论是一致的,进一步证实了F.Pan和A.Acrivos的嵌套涡族理论。     

流固耦合作用下水下点火固体发动机C/C复合材料喷管力学性能分析

为了研究流固耦合作用对水下点火固体发动机喷管力学性能的影响,采用有限元分析软件建立C/C复合材料喷管的有限元模型,仿真计算不同水深下喷管的力学性能变化。结果表明:真空条件下,喷管的模态频率最大;随着水深增加,流固耦合作用使喷管虚拟质量增大,因而模态频率降低,并且耦合的模态阶数变多。在5～800 Hz振动激励下,随着水深增加,喷管与外界流体发生共振的模态阶数升高,喷管出口部位频率响应的最大位移增大;喷管在5、10、15 m这3种水深下与流体发生流固耦合时的变形云图分布形态一致,只是数值大小不同;但是在15 m水深下,喷管喉部出现严重的应力集中现象,应力值在2.5×107～3.79×1012 Pa之间,存在破坏失效风险。     

弹道导弹性能与喷管/延伸出口锥设计变量之间的关系

本研究的目的是确定导弹性能和喷管、延伸出口锥某些设计变量之间的参数关系。所讨论的导弹性能参数是有效载荷的变化(ΔPL)和由此产生的有效载荷与弹重之比(PL/GW)。本文对固定弹长和固定弹重两种导弹的结构进行了研究。两者均根据先进的技术设计和有风险的工作条件,并带有基准的金属延伸出口锥。对于固定弹长的导弹来说,最大的有效载荷变化效应是由第一级和第三级喷管潜入深度、第二级延伸出口锥半角、喷管/延伸出口锥连接面面积比和各级的飞出角等产生的。对于固定弹重的导弹来说,最大的有效载荷变化量主要受第二、三级喷管/延伸出口锥连接面面积比和延伸出口锥半角的影响。     

航天器共振轨道研究

建立航天器非开普勒运动理论是航天技术发展的必然。提出了一类非开普勒轨道——共振轨 道。共振是自然界的一种普遍现象,当发生共振时,很小的输入可以使系统的状态产生较大 变化。研究表明航天器在推力作用下的非开普勒运动在参数平面内可以视为一种受迫振 动,也会发生共振现象。因此,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普 勒轨道为共振轨道。首先通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立 航天器共振轨道的动力学模型。然后讨论航天器在推力作用下轨道运动的振动规律,并给出 共振轨道的概念及轨道方程。最后提出基于共振轨道的机动轨道设计方法。
     

双级延伸喷管高空展开过程动力学耦合仿真研究

带有延伸喷管的固体火箭发动机一般采用热分离方式进行级间分离,要求延伸喷管按照先点火、后展开的时序进行工作。因此,延伸喷管的展开过程实质上为一个燃气流动与延伸锥运动相互耦合影响的过程。为了详细分析和评估在燃气流场和延伸喷管展开相互耦合影响下尾流的变化和延伸锥的展开情况,根据Fluent软件中的用户自定义函数(UDF)功能提出了一种耦合仿真方法,并据此对某型双级延伸喷管的展开过程进行了耦合仿真研究,得到了在延伸喷管展开过程中尾流的变化以及延伸锥的运动和气动力等参数随时间的变化情况。计算结果表明,在延伸喷管展开过程中,延伸锥及其展开机构所在的空腔内的温度出现短时剧烈波动,需对其进行一定的热防护;在高空工况下,流场气动力对延伸锥的展开主要为阻碍作用且影响较大,当气瓶初始压强低于1.0 MPa时,延伸锥可能出现无法展开的情况;耦合仿真结果可反映出发动机工作时延伸锥的实际展开情况,可对延伸喷管能源系统输入参数等设计提供指导。     

基于CFD的两级气动直接力控制阀静态特性

通过对一种两级气动直接力控制阀进行结构参数设计和基于计算流体力学(CFD)的静态特性仿真研究,比较分析了前置级阀挡板及主阀芯在不同位置时阀腔内流场的流动状态和压力损失情况并提出优化措施,得到了挡板位置-流量特性曲线和位置-气动力特性曲线、主阀芯位置-流量特性曲线以及主阀输出推力。利用推力测量试验台进行了原理样机的热试,实测结果与仿真结果基本一致,证明了对两级直接力控制阀的静态特性分析是准确的。分析结果表明,在入口压力保持不变的情况下,前置级阀挡板及主阀芯开口度增大,喷管的输出流量也增大,处于中位时两喷管输出总流量最大;当挡板自中位向极限位置运动时,气动力逐渐增大,是帮助挡板运动的主动力,反之恰好相反;该阀输出的644 N大推力完全能满足导弹控制系统的要求。     

摆动喷管与惯性器件超谐波耦合仿真研究

摆动喷管具有大惯量和强非线性特征,存在与惯性器件耦合的风险。建立了从指令输入到惯性器件响应输出的控制回路开环传递特性模型,用有限元方法模拟了摆动喷管非线性特征,发现了摆动喷管与惯性器件的超谐波共振耦合效应,同时讨论了几种改进措施的有效性和可行性,发现对作动器反馈信号进行幅值调制来降低耦合效应效果明显且易于应用实现。     

铌铪合金喷管搭接结构激光点焊技术研究

某型号铌铪合金喷管加强筋原采用电阻点焊,但存在接头强度低、劳动强度大和焊接效率低等问题。为实现铌铪合金喷管加强筋高质量高效连接,开展了激光点焊工艺试验研究。基于铌铪合金试板激光点焊试验,重点研究了焊点结构设计、焊接工艺参数设计、焊点熔合特征、接头力学性能和接头断裂行为。研究结果表明:7 mm的环形焊点是较为理想的焊点结构,熔合面宽度是决定接头性能和断裂模式的关键因素,而焊接工艺参数直接影响接头熔合面宽度。选择合理的焊接工艺参数,控制焊点熔合面宽度大于0.7 mm,接头断裂模式为母材撕裂或热影响区撕裂,该种断裂模式接头强度较高,接头承载能力不小于8 000 N。最后采用激光点焊工艺实现了铌铪合金喷管高强度的连接,并通过了试车考核。     

推力向量控制技术的论证

大西洋研究公司(ARC)与法国欧洲推进公司(SEP)共同进行先进向量控制方案的设计和论证试验。方案之一是超声速分离线喷管,该推力向量控制试验系由曾在标准(轴向)试车台进行过试验的基本型弹道发动机在ARC的多分力试车台上完成的。超声速分离线喷管是在60年代研制的一种很有希望的方案,由于受当时材料的限制而放弃了;随着喷管材料的新发展,证明该方案有进一步开发的必要,因为它可提供较大的偏转角。SEP制造的一种先进的轻型耐高温复合材料NOVEL-TEX,已被选用为ARC试验的喷管喉衬和出口维。本文叙述了发动机和推力向量控制系统的设计、试验装置和试验结果。     

斜切喷管性能计算

介绍了一种斜切喷管流场计算的新方法,即采用轴对称无粘流动模型,喷管喉部区域用Kliegel提出的小参数法求解,超音速段用MacCormack二步显格式空间步进求解。在流场计算的基础上,进行了斜切喷管的性能计算。     

基于混合正交法的环喉式膨胀偏流喷管性能影响因素研究

利用混合正交法设计数值模拟实验对环喉式膨胀偏流喷管(ATEDN)的工作过程进行研究，以获得ATEDN在不同工作模态的流场特征并分析入口压力、扩张比和塞锥基底半径三个影响因素共同作用下喷管性能的变化规律及各因素对喷管性能影响的显著性。采用FLUENT商用软件对ATEDN在0～31 km高度范围内的工作状态进行模拟。模拟结果表明，ATEDN在不同工作高度下存在开放-固壁反射、开放-自由边界反射和闭合三种基本工作模态。根据喷管流动经历的不同工作模态特征，将喷管的工作过程进行分类，具有不同工作过程的喷管推力性能存在显著差异。结果对比发现，在所选的参数水平下，塞锥基底半径是影响高度积分平均比冲的最显著因素，其次是扩张比，入口压力影响最小。随着喷管扩张比的增加，高度积分平均比冲降低；随着喷管入口压力和塞锥基底半径增加，高度积分平均比冲增加。