含粘接缺陷固体发动机喷管堵盖受压分析

利用ＶｏｎＫａｒｍａｎ模型,对受内压作用固体火箭发动机喷管堵盖进行了几何大变形分析,考虑了工艺因素对堵盖变形和堵盖与喷管喉衬粘接界面应力的影响,分别对牢靠粘接和３种不同形式的不牢靠粘接进行了计算,结果表明,堵盖与喉衬的粘接面脱粘对界面应力场有很大的影响。     

冲压发动机C/SiC喷管沉积特性研究

为了探索冲压发动机C/SiC复合材料喷管的沉积特性,从C/SiC喷管不同的型面结构、不同试验状态以及不同的燃烧室状态等方面进行了研究。研究表明:C/SiC复合材料喷管的型面结构对喷管固体颗粒的沉积影响较小,可以忽略;试验状态和燃烧室状态对C/SiC复合材料喷管固体颗粒的沉积影响较大,喷管不容易产生沉积;在高空状态、复合材料燃烧室状态下,喷管扩张段容易产生沉积,且当扩张段欠膨胀时,加剧沉积。      

喷管堵盖开裂失效分析北大核心CSCD

喷管堵盖所用材料为高硅氧短切纤维/钡酚醛树脂复合材料,部分堵盖在存储5年后发生开裂。通过失效分析认为,材料中树脂分布不均匀,部分区域树脂含量偏少、呈贫胶状态,造成该区域材料强度相对较低,同时由于堵盖的工艺特点决定其内部会存在一定水平的内应力,随着存储时间的增长,材料的强度下降、脆性增大,当强度降至低于内应力时,堵盖较薄弱区域即发生开裂。     

小型固体推进剂火箭发动机某些点火问题的实验研究

用φ50mm标准试验发动机对双基和复合推进剂的发动机点火问题进行以下一系列研究工作:(1)在双基推进剂发动机的初始工作时,喷管堵盖的厚度将如何影响点火压力和点火延迟时间。试验结果表明:堵盖的爆破时间应该是在燃烧室最大压力的75％～100％处,那就是说,较厚的堵盖将得到较好的试验发动机性能。(2)在双基推进剂发动机中,堵盖厚度一定,燃烧室压力为25～115atm,试验结果表明:如果点火压力小于75atm,则某些通用的公式可用来计算点火药量。如利用Barrere和Lancaster公式来计算点火药量时,上面所讲的二个结果是有效的。(3)用一种高能金属氧化剂作点火材料的装药量和复合推进剂发动机的自由容积之间关系,对于不同的Ku,可作成曲线。例如用硼硝酸钾(B/KNO_3)作为点火药,聚酯推进剂作为发动机装药,则在对数坐标上所得曲线是线性的,这样,在点火器设计中易于确定所需烟火剂装药量。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

固体发动机喷管扩张段斜向缠绕成型技术研究进展

布带斜向缠绕结构具有良好的抗烧蚀性能,在国外广泛应用于火箭、导弹的头帽和发动机喷管构

件。本文简单介绍了固体发动机喷管树脂基扩张段的布带缠绕成型技术,布带斜向缠绕成型技术在国外固体

火箭发动机喷管上的应用情况及我国固体发动机喷管扩张段布带斜向缠绕成型技术的研究进展。

     

温度及压强对火箭发动机喷管阻尼的影响研究

为探索燃气温度与燃烧室工作压强对固体火箭发动机喷管阻尼特性的影响,同时为了对冷流试验的改进及不稳定燃烧研究提供相应的理论指导,基于Buffum冷流试验发动机的二维模型,利用脉冲衰减法,开展喷管阻尼特性数值仿真计算。结果分析表明燃气温度对喷管阻尼有很大影响,而燃烧室工作压强对其几乎没有影响。燃气温度越高,切断脉冲后,压力振荡衰减越快,即喷管阻尼衰减系数越大;不同工作压强下,切断脉冲后,压力振荡衰减速度几乎不变,即发动机喷管阻尼衰减常数几乎不变。     

固体火箭发动机柔性接头拉伸载荷下强度分析

柔性接头是固体火箭发动机摆动喷管的执行部件,由若干同心的环状球体的弹性件、增强件以及前后法兰相互交替地粘接在一起而成,采用轴对称有限元法对柔性接头在拉伸载荷下进行了强度分析,得到了在0.5MPa弹射压强的拉伸载荷作用下柔性接头应力分布,由此计算弹性件与增强件之间界面最大拉应力及层间剪应力分别为2.34MPa和0.28MPa,界面粘接强度满足使用要求。      

红外抑制器模型出口温度的实验

利用地面模拟试验件实验研究了气流参数对直升机发动机喷管出口温度的影响。实验中主喷管气流温度610℃, 压力为常压, 下洗气流温度为常温, 速度范围为4.4～11 m/s。结果表明, 模型出口排气温度随着主喷管流量增加而线性增加, 引射系数随着下洗气流速度增加而减小, 出口排气温度随下洗气流增加时有一个峰值, 增加下洗气流速度有助于降低外套壁温。实验发现外套出口和混合管之间夹层存在气流倒流现象, 倒流平均速度随着主喷管流量和下洗气流速度增加而增加。      

W-Re合金构件气氛保护等离子喷涂成形技术

采用包覆法制备W-5％(质量分数)Re复合粉末,采用气氛保护等离子喷涂成形技术制备某实验型固体火箭发动机喷管(Solid Rocket Motor,SRM),研究2300 ℃真空烧结时喷管致密度、组织结构及显微硬度、抗拉强度、压缩强度等性能随烧结时间的变化规律.研究表明:喷涂成形件为典型的柱状晶层片结构,粒子层片结合部位存在较多孔隙及微观缝隙,成形件致密度为87.5％,其显微硬度、抗拉强度、压缩强度分别为321.8 HV0.025,57.9 MPa及390.2MPa.随着真空烧结时间由2h延长至6h及8h,W-Re合金逐渐由定向凝固柱状晶层片结构转化为颗粒状结构,致密度及力学性能均随之提高.其中经8h烧结处理后,W-Re合金致密度、显微硬度、抗拉强度、压缩强度及屈服强度分别增加至98.6％,529.7 HV0.025,384.7 MPa,1466.5 MPa及879.6 MPa.由于Re元素可提高W-Re合金的再结晶温度,有效细化晶粒,显著提高合金的程度及塑性,等离子喷涂成形W-Re合金经真空烧结后可观察到明显的Re效应.     

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。      

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响

为了分析塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响,分别设计了使用塞式喷管和钟形喷管的固液火箭发动机。发动机喷管选取了三个不同的扩张比,对应高空和地面两个设计状态。通过数值仿真,预估了发动机的性能,并将使用塞式喷管结构和钟形喷管结构的两种固液火箭发动机进行了对比分析。结果表明:相对于钟形喷管结构,使用塞式喷管结构能够提高固液火箭发动机的燃烧效率和比冲效率,且最大分别提高了4.13%和3.37%;地面条件下,大扩张比的塞式喷管的仿真推力系数要比同扩张比的钟形喷管的仿真推力系数大2.69%,体现出塞式喷管的高度补偿效应;与钟形喷管内壁面温度相比,塞式喷管塞锥壁面的温度明显更低。     

俄罗斯АЛ—37ФУ发动机

AЛ-37ΦУ发动机是留里卡—土星设计局为Cy-37飞机研制的一台双轴涡扇发动机。该机是AЛ-31Φ发动机的改进型,它包括4级低压压气机、9级高压压气机、环形燃烧室、高低压涡轮、涡轮冷却系统、加力燃烧室、收敛一扩散喷管几个单元体。具体改进有: ·发动机进口直径由0.910m增大到0.932m; ·采用内冷技术,涡轮进口温度达1665K; ·采用钛合金轴对称矢量喷管,通过环形转向装置可在俯仰方向转向±15;     

基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性

为了研究火箭发动机(SRM)斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。     

液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击效应

为研究液体火箭发动机尾焰对发射平台的冲击效应特性,建立液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击数值计算模型.针对液氧/煤油发动机尾焰对发射平台冲击特性,基于建立模型研究了喷管出口距离平台3,5m工况下推进剂流量和复燃对冲击特性的影响,并分析了影响差异及其产生差异的原因.结果表明:尾焰自由射流区的激波膨胀、压缩距离和壁射流区面积随推进剂流量的增大而增大;考虑复燃化学反应不仅改变了自由射流区和滞止区的形状结构,而且增大了壁射流区的面积和温度;复燃和推进剂流量均是通过影响尾焰结构对冲击特性产生影响,具体影响效果与喷管出口和发射平台间距离有关.      

温度冲击速率对变截面药柱结构完整性的影响

基于热传导方程,对某固体火箭发动机物理模型进行合理的简化,得到了两种可以用于计算药柱内温度、应力应变场的三维计算模型,并通过计算选出较优的一种;利用得到的计算模型,根据固体推进剂材料的粘弹性本构关系,对某固体火箭发动机受不同温度冲击载荷速率的情况进行了数值计算,研究在不同速率下,药柱内应力应变随应力速率的变化规律,为火箭发动机三维装药结构的完整性分析提供参考。     

国外动态

Insul/rite弹性材料模压成火箭发动机的喉道和出口锥已试验成功.由ICI/Fiberite公司生产的这种材料可用于火箭发动机壳体绝热材料、助推器或高压发动机、固体或液体起动/停止/再起动发动机,带整体式挠性轴承的推力矢量控制和冲压发动机部件.用于火箭发动机试验的橡胶喷管,由一种用层压模塑法成型的喷管进口、喉道和出口锥     

尾喷管构型对多循环两相脉冲爆轰发动机流场及性能影响

为了研究尾喷管构型对多循环工况下非定常气液两相脉冲爆轰发动机推进性能的影响,运用适应能力强的非结构网格CE/SE(时空守恒元和求解元)方法数值研究了带尾喷管脉冲爆轰发动机的内外流场.结果表明:尾喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响在单次循环和多循环工况下有显著差异;当燃料填充率为1、环境压力为0.1MPa时,完成一个周期各种构型尾喷管产生的平均推力由大到小依次为拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管、收敛喷管、无喷管、直喷管;研究中塞式收敛扩张喷管可以提供最大的冲量和燃料比冲,但完成单个循环的周期最长.