某大长径比固体火箭发动机不稳定燃烧试验研究

针对某大长径比固体火箭发动机试验过程中出现的压强异常升高、推力异常振荡、工作时间大幅缩短的现象,通过试验数据分析、声腔模态分析、大涡模拟(LES)及单项试验验证等多种手段,分析了发动机燃烧室内阻尼因助推级工作结束、喉通比减小等因素而降低,使得阻尼小于推进剂燃烧增益是导致某大长径比发动机发生不稳定燃烧的主要原因。同时,提出了可以通过优化续航级推进剂配方解决发动机不稳定燃烧。随后,通过T型燃烧器试验筛选,获得了一种低压强耦合响应函数的续航级推进剂配方,并使用该配方开展了一系列验证试验。试验结果表明,在更换压强耦合响应函数较低的新配方后,参与试验的多发发动机未发生不稳定燃烧,通过更换配方解决发动机不稳定燃烧的措施有效。     

固体推进剂火箭发动机的推力损失预测

本文介绍了关于固体推进剂火箭发动机比冲测定的一种综合分析方法。它是基于流体力学的基本原理,因而不受以前的发动机试车测试数据的限制。这个方法包括从一个标准的自由能量方程计算理论比冲Ⅰsp 和减去由于(1)二相流(凝聚相的滞后),(2)喷管扩散,(3)表面摩擦,(4)热传导,(5)化学不平衡,及(6)喉部烧蚀引起的损失。现有的既有效又易利用的计算机程序可以用于准确地确定这些推力损失。为了确认这个方法的可靠性,实测的和计算的Ⅰsp 之间进行了广泛的比较。试验的比冲数据是从一系列的吹风试验,和用含金属粉与不含金属粉的推进剂的38发缩比尺寸的点火试验及从三叉戟,海神,民兵和宇航发动机的16发全尺寸的发动机得出的。在所有的发动机中比冲的预测值和试验值相差都在0.6%之内,这说明那方法对于预测性能利用子固体推进剂火箭发动机设计和分析中是很准确的。     

基于声能共振仿真的固体发动机声不稳定趋势研究

防空导弹发动机采用了大装填、大长径比、高压强等设计以提高性能,在复杂飞行条件下不稳定燃烧问题时有发生,致使发动机压强及推力振荡,对导弹的制导和控制造成了消极影响。针对防空导弹发动机出现的轴向声不稳定现象,从声能共振仿真角度出发,对发动机燃烧室声腔进行声学响应分析,根据发动机结构特性评估出现声不稳定的趋势,从而指导防空导弹发动机的设计。通过仿真计算,得到大长径比、锥体构型及工作后期更易出现声不稳定现象,与某型发动机的不稳定燃烧问题一致。     

固体火箭发动机径向加质圆管模型流动稳定性的参数分析

利用径向加质圆管Taylor-Culick流动模型,基于谱配置方法,研究了固体火箭发动机流动稳定性。分析了不同参数(侧向注入雷诺数和长径比)变化对固体火箭发动机空间稳定性的影响。研究表明,侧向注入雷诺数影响不稳定模态由基频到高频的排列,不同长径比对流动不稳定的放大效果有明显的不同,并通过频率、环向空间波动与轴向空间波动的关系,分析了径向加质圆管流动不稳定的物理特性。     

某型号火箭发动机高空模拟试验中扩压器的 数值计算与试验比较

文章利用FLUENT软件对某型号液氢/液氧火箭发动机在高空模拟引射试验中扩压器进行数值计算,并与试验测量数据进行比较。用Visual C#.NET软件编制了二次喉道扩压器引射过程计算程序,将该程序的计算结果与FLUENT软件的数值计算结果进行了比较。利用FLUENT软件对二次喉道扩压器在不同入口长度、不同收缩比和长径比情况下的流场情况进行了计算,分析了对发动机启动的影响;并把数值计算结果同吹风试验的数据进行了比较,结果表明数值计算具有较高的置信度。     

翼柱型药柱固体火箭发动机不稳定燃烧研究

列举了3种高装填、大长径比、翼柱型药柱、复合推进剂固体火箭发动机不稳定燃烧的现象,对其不稳定燃烧现象进行了频谱分析,将3种不稳定燃烧定位为中频、纵向声不稳定。分析认为,不稳定燃烧取决于发动机的设计固有频率及发动机燃烧室内部声能的各种增益和衰减之间的消长关系。抑制不稳定燃烧的有效途径是改变声腔的固有频率和减少声能增益、增大声能损耗。通过采取修改药柱结构以改变燃烧室声腔的固有频率和增大喷管阻尼的措施,使发生的不稳定现象得到了很好的抑制,可为同类发动机研制提供借鉴。     

某型固体火箭发动机不稳定燃烧仿真分析与试验

针对某型大长径比固体火箭发动机研制过程中,发动机地面试验出现不稳定燃烧的现象,结合声腔频率分析方法和地面试验过程中增加脉冲触发,对其产生不稳定燃烧的频率范围进行了分析,通过优化发动机型腔结构改变发动机固有声腔频率,消除了不稳定燃烧现象,优化后的发动机通过地面试验增加脉冲触发进行验证。结果表明,所采用的声腔频率分析方法、优化改进措施及脉冲触发验证方法有效。     

固体发动机点火燃气流动与药柱变形耦合过程数值模拟(英文)

采用MpCC I耦合器作为FLUENT和ANSYS的数据交换平台,对带径向翼槽大长径比固体发动机点火过程中的流固耦合现象进行了数值模拟。结果表明,该型发动机点火瞬间燃气流动与药柱变形强烈耦合,药柱变形主要发生在径向翼槽台阶的尖点处,且随点火过程的推进变形加剧;中间翼槽尖点处药柱的变形量比头部翼槽处大,是造成发动机点火故障的主要原因。计算获得了点火压力冲击下药柱的位移及应力场的分布规律,文中的研究结果可为流固耦合技术在固体发动机上的应用奠定一定的基础。     

应用质量工具开展大长径比固体火箭发动机轴向振动试验方法研究

根据大长径比固体火箭发动机轴向振动试验任务需求,将质量管理的理念融入到大长径比固体火箭发动机轴向振动试验方法创新研究当中,通过应用亲和图、箭条矢线图、PDPC法等质量工具,结合方案分析论证、仿真分析、试验验证等手段,准确完成大长径比固体火箭发动机轴向振动试验,实现了预期的目标。     

大长径比SRM头部复杂结构三维纯气相火焰传播过程

以N-S方程,RNGk-ε湍流模型、P1辐射模型为基础,以美国"大力神-Ⅳ"运载火箭助推发动机PQM-1为算例,采用流固耦合传热的火焰传播边界条件,建立了大长径比SRM头部复杂结构的三维纯气相火焰传播模型,分析了发动机点火瞬态头部径向和轴向翼槽内的火焰传播过程。结果表明,对于采用单喷管点火发动机点火的大长径比SRM,头部翼槽的初始发火点在轴向翼槽末端,且头部轴向翼槽内的冷空气影响径向翼槽内的火焰传播,而轴向翼槽内的火焰传播过程对药柱锥形通道内的火焰传播影响不大。     

中心孔药柱中燃速的径向变化

大西洋研究公司提出了一种分析固体发动机药柱燃烧状况的计算机程序化方法,本法可直接计算局部燃速对已燃药厚的平均燃速的比。包括使用标准批检验发动机的某些特殊试验在内,对几种不同构形的中心孔药柱燃速比的药厚变化效应(“虹效应”)及数值进行了评估。分析表明这种燃速比的药厚效应是由制造方法引起的.实际上与尺寸、长径比、控制温度、燃速和药厚等发动机参数无关。提出了一种假说,认为此种药厚效应的起因与推进剂富粘合剂层的条痕结构有关,而条痕的形状又与制造方法及药柱构形有关。迄今积累的数据表明,对圆孔药柱而言,事先固定芯子的装药比先浇注后插入芯子的装药燃速约高3—4%。药柱上的各种槽沟往往限制了各点虹效应的精度确定,尽管在全部的构形中均可看到总的虹效应,且最大与最小值的差一般均在3—6%范围内变动。本文给出了各种发动机的燃速比数据,其推进剂重量从10磅左右至2000磅,长径比1:1至8:1,药厚从小于1英寸到大于7英寸,药形有槽管状、锥柱状、一端和两端的圆柱状。     

发动机用扩压器性能及扩压器后射流数值分析

扩压器是火箭发动机进行高空模拟试验的重要地面设备,针对某空气泄入式圆筒型扩压器设计参数进行了数值研究,同时对该扩压器后的燃气射流进行了分析.计算结果表明,扩压器直径是影响扩压器性能的一个重要参数,在满足喷管出口满流的前提下,当扩压器直径增大时,带来的是总压损失逐渐增大,扩压器内激波串的强度逐渐增强;长径比并不是一个影响...     

喷管内型面对喷管性能的影响

本文叙述了对使用的固体火箭发动机性能计算程序SPP提出的修正方法。这种方法可用来确定不同比冲预示分析法,能否对由于喷管几何形状变化所引起的发动机性能变化的预示结果。目的是求导一种方法,可以预示一定置信度下全尺寸火箭发动机的比冲,当使用SPP时就可确定预示喷管结构变化的影响。在进行发动机基本数据评定时,发现SPP预示的发动机中有些发动机性能超出所要求的±0.5％精度范围。这显然是各种损失计算机理中有些与实际不相符合引起的。完成的工作包括:修改用于计算各项损失的某些方法,忽略SPP损失计算中的一些项目,解释SPP中不计算的项目的原因。利用29个发动机的试验结果推出了其间的相关性。用修改了的方法预示其他发动机的性能得出了很好的结果。修改后的方法产生标准方差为0.25％,偏差为0.03％,相比之下原来的SPP计算方法标准方差为0.8％,偏差为0.5％。在AIAA第十二届推进会议上有篇文章,使用赫克力斯比冲分析法(HIMET)预示了不同几何形状的四十磅发动机的性能。该法显示了极好的模拟能力。本研究在探索SPP的应用方面能完成相同的任务。本文的结果归纳为:1. SPP需要修正以改善预示能力;2.SPP和修改后的SPP给出的结果能显示出由于喷管几何形状的变化引起性能变化的倾向;3.修改后的SPP给出的结果比原来的更精确;4.HIMET和两种SPP法都可以用来决定喷管结构变化的影响。     

N2O/丙烷火箭发动机研制

为进行N2O/丙烷(C3H8)火箭发动机(NOP)试验,在亚拉巴马大学(UAH)新建了一座发动机试车台,装备了台架式推进剂供应系统、10001bsf(4448.22N)的推力架和数据采集系统.研究了N2O催化分解点火方案,对几种催化剂材料进行了评估.Shel1-405和钴基的ZSM-5性能良好,可使N2O充分分解,并点燃碳氢燃料,如丙烷.试验表明,纯N2O通过Shel1-405时,催化分解反应在400°F(204℃)时进行,如果加入少许碳氢燃料(例如丙烷或丙烯),此温度将下降到大约200°F(93℃).NOP发动机在L*=3m时,在混合比4.89到8.68之间进行了试验.在合适的热损失模型下,试验数据与理论计算结果相吻合.使NOP发动机稳定工作的范围基本确定为N2O流量＜0.270 1bm/sec(0.122kg/s),混合比在5～6之间.用辐射测量仪来测量发动机排气温度和羽流成分,用羽流皮托管校验推力数据.     

《固体火箭技术》第28卷(2005年)总目录

第1期火箭研究及应用基于全模式遗传算法的导弹/固体冲压发动机一体化优化赵建民,等(1)…………………………………………………两种不同注水方式的燃气蒸汽式发射系统内弹道性能比较张仁军,等(5)…………………………………………………太阳能热推进的研究与发展…………………夏广庆,等(10)发动机发动机喷管喉衬烧蚀及热结构工程计算………付鹏,等(15)大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程分析…钟涛,等(20)大型固体火箭发动机研制的关键技术……………阮崇智(23)收敛-扩张喷管中运用次流推力矢量控制技术的计算研究邓远灏,等(29)……………     

轴对称推进剂药柱纵向燃烧不稳定性的预测

在推进剂药柱燃烧时,可以观察到纵向波型不稳定性。本文介绍预测方法的一般方案并与实际试验作了比较。由“T”型燃烧器得到模型中使用的数据(两种尺寸及两种工作状态)。本文研究的火箭发动机,其推进剂药柱都具有轴对称的几何形状,直径从200毫米到1500毫米。在预测和实际热试结果之间可能会出现一些偏差。当采用本方法时,仅预测不稳定的趋势是可能的。为了进行计算预测须作缩比发动机热试车并对过去一些试验进行分析。所有这些,对于发动机进行比较,都是很有用的工具。为了减小预测和实际热试车之间的偏差,对计算程序作了改进。要从两个主要方面进行探索:即更精确的分析模型和更好的输入数据。     

液体火箭发动机的稳定性试验

叙述的一种实验装置,可用来研究可贮存液体发动机的喷射区对声学干扰的整体响应特性.这一装置是以ONERA(法国国立宇航研究所)已成功地应用在固体火箭发动机中的方法为基础的.其中包括了用间歇调制喷管喉径的方法使一台模型小火箭的周期性振荡频率接近其一次纵向振型.在此情况下的喷射区的响应特性是由测量其一次纵向振型压力振荡的阻尼值来定量的,在以前的一篇文献中业已证明:在一台小型液体火箭发动机中,有可能触发出其一次纵向振型,并精确地测出不同阻尼值与参数变化之间的关系,例如用不同的喷注器、燃烧室压力、不同种类的燃料及喷管进口截面比等变化情况.这些实验采用了轴向喷注器,并假定推进剂的喷射和燃烧主要是受声压振荡干扰的(压力耦合).叙述在沿燃烧室全长的一半处装有径向喷注器的火箭发动机试验.试图用这种方式使喷雾和燃烧区受到声速扰动(速度耦合).并研究各种喷注器型式、燃烧室压力和燃料对声速扰动的影响.其间曾出现过若干自然的燃烧不稳定现象.还叙述用轴向喷注器进行的一些补充试验.对这两类实验结果加以比较即能鉴别压力耦合和速度耦合的不同特性.从某个技术角度看来,如果证实这类小型火箭发动机所获得的实验结果能转用于大型发动机,那么这种实验装置对研究液体火箭发动机的不稳定燃     

战术导弹固体发动机燃烧不稳定研究概述

介绍了大长径比战术导弹用固体发动机中产生的燃烧不稳定,分析了燃烧不稳定产生的机理,总结了国外典型的实验研究情况及其主要结论,以及国内固体发动机燃烧不稳定的状况。结合最新的研究进展,对燃烧不稳定的影响因素开展了深入分析:分析了声涡之间的耦合作用,重点讨论了声对涡的调制作用;分析了推进剂压强耦合对燃烧不稳定的影响,讨论了压强耦合响应函数的测试方法及其与推进剂配方之间的关系;分析了金属的分散燃烧及其凝相燃烧产物对燃烧不稳定的增益和阻尼作用。针对诸影响因素,提出了进一步的研究建议。     

固体火箭发动机喷管扩张段型面参数对其性能影响仿真分析

固体火箭发动机喷管扩张段型面直接影响喷管内燃气膨胀和壁面压力分布,优化扩张段型面参数是提高喷管效率的有效途径。采用欧拉-拉格朗日数值方法仿真分析了椭圆-三次曲线型喷管在扩张段不同出口半角、初始扩张半角、长径比和扩张比等型面参数下的两相湍流特性及推力性能,数值模拟与基准型面喷管试验结果对比良好。不同型面参数喷管计算结果对比显示,出口半角对喷管推力影响较小,而初始扩张半角对其影响相对明显。流场特性分析表明,扩张段不发生内激波相交时,因避免燃气二次压缩而有利于提升喷管推力。与基准型面喷管相比,适当增大初始扩张半角和减小出口半角,能够改善扩张段内激波结构,提高喷管性能。此外,固定扩张比,长径比小于1.2时,随长径比增大,喷管出口轴向速度积分增长较快,推力收益增速明显。固定长径比,扩张比增大能提高喷管推力系数,但两相流损失随之增加,导致喷管效率降低,综合来讲喷管推力呈上升趋势。     

SRM点火瞬态凝相粒子对火焰传播过程的影响

以Fluent计算软件为工具、时均化N\|S方程、RNG k-ε湍流模型、P1辐射模型、颗粒 轨道模型为基础、美国“大力神4”运载火箭助推发动机PQM -1为算例,采用流固耦合传热的火焰传播边界条件,建立了二维轴对称纯气相流动和气固两 相流动模型,分析了大长径比SRM点火瞬态凝相粒子对火焰传播过程的影响。分析结果表明 ,与纯气相流动模型相比,两相流模型中凝相粒子的辐射、阻尼、拖拽等作用改变了火焰在 装药燃气通道、径向翼槽内的传播过程;两相流动模型可正确预示大长径比SRM的初始发火 点和火焰传播过程。