固体火箭发动机不完全燃烧的试验研究

用设置缓燃层改变装药燃面的变化规律观察发动机地面静止试验推力曲线变化的方法,研究了固体火箭发动机不完全燃烧产生的机理。结果发现,发动机燃烧室存在一个自由容积的阈值,这个值是影响发动机稳态为燃烧和非稳态燃烧的界限值。     

固体火箭发动机内弹道曲线异常现象的鉴别

本文以表格形式给出了各种内弹道曲线异常现象的典型实例,并作了初步归纳和分析,提出一些实用的鉴别方法。其目的在于促进发动机研制人员进一步总结经验,在综合运用有关方面的研究成果和燃烧诊断技术的基础上,逐步发展一套分析、鉴别发动机内弹道曲线异常的工程方法。本文建议积极开展关于内弹道与燃烧问题的工程应用研究。其中比较重要的是,发动机起动过程的预计,固体推进剂侵蚀特性的预计或燃速辨识技术,发动机线性稳定性预计,发动机脉冲试验技术等。     

接触热阻对固体火箭发动机烤燃时间的影响

应用有限元法对某模拟固体火箭发动机的热烤试验过程进行了数值模拟研究,对比分析了在相同的外界条件下,考虑接触热阻与不考虑接触热阻时推进剂的起始燃烧时间。结果表明,考虑接触热阻的影响对于准确预测发动机的烤燃时间有重要的影响。     

基于试验设计的固体火箭冲压发动机燃烧效率规律研究

以双下侧进气布局的固体火箭冲压发动机为研究对象,以补燃室中燃气与空气的掺混燃烧效率规律为研究目标,将燃气喷管数量、补燃室头部距离、补燃室长径比、空气进气角度、空气进气速度5个因子作为二次燃烧效率的影响因子,基于试验设计方法,建立了5因子2水平的全因子试验表,并以该表为基础对构建出的32种不同掺混结构的固体火箭冲压发动机补燃室的反应流场进行数值模拟。用试验设计中的数据处理方法对计算结果进行分析,获得了5个显著因子及各因子对燃烧效率的影响规律。为了验证分析结果的正确性,从试验设计表中选取5种掺混结构进行了地面连管试验,试验结果与分析结论一致。将试验设计方法应用到固体火箭冲压发动机燃烧性能的研究中,为发动机性能寻优提供了新途径,具有较高的工程应用价值。     

采用N_2O与含金属HTPB燃料固液火箭发动机燃速试验研究(英文)

为了研究含金属固体燃料固液火箭发动机的燃速及发动机的工作特征,采用N2O氧化剂与含Al,Mg和C的HTPB基固体燃料的固液发动机进行试验研究与分析,试验在3种尺寸药柱、多种氧化剂流量下进行,获得发动机的燃速、燃烧室压强及燃烧效率等参数。为分析辐射换热对燃速的影响,把燃速分成两部分并提出相应的分析式:一部分由对流换热控制的燃速,由通过药柱通道的总质量流率来衡量;另一部分由辐射换热控制,通过燃烧产物中凝相组分对固体燃料壁面的辐射换热量决定。对试验结果进行分析发现,除富氧的情况外,热辐射控制的燃速约占总燃速的30%~60%,辐射控制燃速与对流控制燃速的比例趋势与燃烧产物中凝相组分的质量分数随氧燃比的变化规律相似。同时,试验结果显示,试验燃速总体上随着固体药柱通道中氧化剂质量流率的增加而增大。发动机的燃烧效率绝大多数位于80%~97%的范围,在化学当量比附近和富氧范围内,随着燃烧温度的降低而降低,效率曲线与理论绝热燃烧温度值的平方相似。     

进气道位置对含硼推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响

为了提高含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒的燃烧效率,采用颗粒轨道模型进行了补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补然室内简单反应流模型,并在该模型下研究了进气道的位置对非壅塞固体火箭冲压发动机燃烧效率的影响,在此基础上进行直连式试验研究。结果表明:随着前后进气道之间轴向距离增加,燃烧效率先增加后减小,并且试验重复性比较好;前进气道后置长度增加,燃烧效率减小。     

固体火箭超燃冲压发动机性能试验

为了研究发动机构型、推进剂类型和当量比对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响,选取了3种固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型,分别使用碳氢推进剂和含硼质量分数35%推进剂共计开展了8次地面直连试验。试验模拟了23 km、马赫数5.5的飞行工况,通过测量推力、流量和压力等参数,得出了超声速燃烧室和发动机的整体性能参数,进而研究了发动机构型、推进剂类型以及当量比3个关键因素对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响。结果表明：带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型虽然冷流内阻最大,但试验燃烧效率和比冲性能最优。针对带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型,使用碳氢推进剂的发动机性能整体优于使用含硼质量分数35%推进剂对应的性能参数;使用碳氢推进剂的极限掺混当量比大于0.7,而使用含硼质量分数35%推进剂的极限掺混当量比在0.65附近。这是由于相对碳颗粒,硼颗粒在超声速气流中燃烧组织更为困难导致的。相对于使用碳氢推进剂,使用含硼质量分数35%推进剂的一次燃烧产物更容易在喉部沉积,其燃气发生器压力曲线也存在更多峰值振荡的现象。在所研究的试验当量比范围内,使用碳氢推进剂的燃烧效率峰值约0.82,此时对应内推力比冲峰值约6...     

固体火箭发动机不稳定燃烧的速度耦合模型的研究

由分析固体火箭发动机的高频不稳定燃烧的振幅和频率变化的复杂性开始，通过调整参数，通过调整参数，得到在燃烧前期呈现较单纯纯频的振荡燃烧。利用中止燃烧试验，得到反映前期振荡燃烧的速度幅分布的烧去肉厚分布。     

燃烧条件下影响推进剂脱粘面扩展的因素

研究了固体火箭发动机推进剂与包覆层界面脱粘在燃烧条件下扩展的影响因素。对含有预制脱粘面的试件进行了大量的燃烧试验，用X射线实时成像系统记录了燃烧过程；根据组成试件的不同材料特性，分别用粘弹性和线弹性有限元方法计算了试件在燃烧过程中的应力应变状态，并利用修正后J积分法对脱粘面扩展的可能性进行了预估。理论分析和试验结果均表明：燃烧室增压速率、脱粘面尺寸、边界条件等因素对脱粘面扩展均有较强的影响。该研究结果对制定固体火箭发动机装药失效判据有一定参考价值。     

高能推进剂燃烧效率研究和实测比冲预估

采用燃烧残渣中活性铝含量分析、真空爆热和发动机试验等方法，研究了高能推进剂中主要组分对推进剂燃烧效率的影响。研究结果表明：增塑剂的种类和含量是影响效率的主要因素，AP的含量及固体组分的粒度级配也有明显影响；BSF－φ315发动机试车结果证明高能推进剂的的实测比冲效率大于0．94。采用软件计算发动机的实测比中，可预估高能推进剂配方在不同压强及燃速条件下标准试验发动机（BSF－φ165和BSF－φ315）试车的实测比冲值。     

基于细观颗粒夹杂模型的复合固体推进剂松弛模量预测

为更准确地预测不同固体颗粒体积分数的复合固体推进剂的松弛模量,采用了分子动力学方法对不同体积分数的复合固体推进剂细观模型进行建模.根据有限元理论及细观力学均匀化方法,计算在定应变工况下复合固体推进剂细观模型的平均应力随时间的变化,从而有效地预测复合固体推进剂的松弛模量.该方法有效地体现了随填充颗粒体积分数的增大,复合固体推进剂瞬时模量逐渐增大的变化规律及颗粒随机分布对复合固体推进剂瞬时模量的影响.将其应用到复合固体推进剂的设计过程中,可有效降低设计成本,缩短设计周期.      

固体火箭发动机体空间缺陷最大直径矢量特征测量方法

针对固体火箭发动机工业CT(computed tomography)三维扫描数据,从计算时间和测量精度两方面考虑,结合固体火箭发动机内部缺陷体空间数据场的特征,通过改进传统的空间最大距离求解法——擂台法,提出了基于分类种子点法的体空间缺陷最大直径矢量特征测量方法.设计了预置缺陷的固体火箭发动机,经实验验证,相比传统擂台法,该方法能够提高测量精度和缩短计算时间,最大直径及其与轴向锐角夹角的最大测量误差在10%以下,为固体火箭发动机三维可视化故障诊断奠定了基础.      

基于Mori-Tanaka有限元法的粘弹复合推进剂非线性界面脱粘

为了研究复合推进剂基体的大应变粘弹性和界面的非线性脱粘,将Mori-Tanaka法和有限元数值求解相结合,提出了一种Mori-Tanaka有限元法。同时,为验证该方法的有效性,针对推进剂夹杂随机填充的特点,提出了一种含非线性界面脱粘的数值仿真法。最后以某推进剂配方为算例,对两种方法的计算结果了进行比较。结果表明,两种方法结果接近,从而验证了Mori-Tanaka有限元法的有效性,且该方法计算量小,极大的提高了计算效率。两种方法的提出,可以有效的用来分析界面对推进剂力学性能的影响。     

固体发动机CT检测中的一种缺陷识别方法

提出一种图像不变矩法和直方图分析法相结合的缺陷识别方法.首先,利用图像不变矩方法,通过形状识别,将裂缝从固体发动机缺陷中提取出来;然后,利用直方图分析法,计算出气泡和夹渣像素值所在的灰度区间,将气泡和夹渣区分.从而实现固体发动机缺陷的自动分类识别,解决了现有技术中通过人工判决缺陷而导致的识别效率低、准确性差的问题,保证了固体发动机的性能.      

基于细观颗粒夹杂模型的固体推进剂导热系数预测

为准确预测固体推进剂的导热系数,采用了分子动力学方法对高填充比固体推进剂细观模型进行建模.利用有限元理论对固体推进剂细观模型稳态热传导进行计算,结合计算细观力学均匀化方法,计算了固体推进剂细观模型的均匀温度和热流密度.根据计算所得的平均温度和平均热流密度值求解稳态热传导方程,得到了两相和三相固体推进剂的宏观等效导热系数.其中,两相固体推进剂的仿真结果与试验结果的误差只有3.63%.结果表明:在预测固体推进剂导热系数时,采用固体推进剂的颗粒夹杂模型可以充分考虑粒径大小、颗粒随机分布的影响,更真实地反映固体推进剂的微结构特征,计算结果准确可靠.      

基于高分辨率数据重构的固体燃料冲压发动机燃料平均燃速测试

采用一种非接触主动式扫描和结构光栅投影定位技术,对以高密度聚乙烯(HDPE)为推进剂的固体燃料冲压发动机地面实验后药柱内孔燃烧形貌进行了三维点云数据重构,获得了固体燃料内表面当地平均燃速的三维分布云图。研究发现:①通过该方法计算所得药柱燃烧去除质量与实验后实际质量变化量误差在0.1%内,精度满足用于固体燃料燃速的评估要求;②构建的数据重构燃速测试方法能真实反映燃料药柱结构变化,且具有一定的适用性;③通过该方法得到了当地平均燃速与总平均燃速的关系并通过线性拟合的方法得到了燃速与来流空气质量通量关系。通过对该方法的验证分析,认为所提出的燃速测试方法对深入研究固体燃料冲压发动机燃速具有一定的参考价值。      

固体推进剂动态储能模量主曲线计算应力松弛模量

基于一维线性粘弹性理论中动态储能模量与应力松弛模量的关系,导出了一种利用动态储能模量主曲线计算固体推进剂修正应力松弛模量的方法。通过两类固体推进剂修正应力松弛模量与实测应力松弛模量主曲线对比发现:虽然计算值大大高于实测值,但二者的比例系数随时间单调递减。根据这种关系,利用固体推进剂动态储能模量主曲线可以计算一定时间内的应力松弛模量。最后,对该方法在发动机药柱应力松弛模量监测中的应用进行了初步探讨。     

基于网格变形技术的涡轮叶片变形传递

为实现学科耦合,需要在涡轮叶片多学科设计优化的气动模型和结构模型之间传递温度、气压和变形等载荷.研究结构变形向气动网格传递的实现方法.参数空间插值方法解决耦合面网格不一致时的变形插值问题;网格变形技术用来调整气动网格内部节点的位置,保证变形传递后的网格质量.某涡轮叶片变形传递实例的表明:该方法能够用于多学科设计优化问题中的变形传递.      

基于STL文件和有限元法的在轨航天器关键部件热计算

针对STL(stereo lithography)文件在传递复杂几何实体模型信息方面具有精度高的特点,提出了一种基于STL文件计算复杂结构角系数和外热流的方法.根据单元和节点的拓扑关系识别六面体网格边界单元并进行辐射换热计算.详细阐述了基于STL文件和有限元法进行复杂结构的角系数和外热流的计算方法.研究了导热-辐射耦合计算的有限元方法.最后利用有限元法计算航天器关键部件在轨的三维瞬态温度场.      

流-固耦合计算的应用研究

为了解决用常规算法求出的流体与固体对流换热系数的不真实性问题,采用了流固耦合计算方法计算固体壁面的温度.其中采用模型模拟湍流流动,用壁面函数法修正处于流场内部的固壁,通过固体和流体双向耦合换热计算,得出了整个流场、温度场包括(固体部分和流体部分)的分布.