脉冲发动机中金属膜片式隔舱动态破坏过程研究

为了实现固体火箭发动机的多脉冲启动功能,设计了一种金属膜片式隔舱(PSD)结构,利用断裂力学理论和圆板大挠度理论建立了金属膜片的设计公式,根据燃烧室的使用要求确定了打开压强为2.2 MPa的金属膜片尺寸,利用脆性断裂模型模拟了膜片的破坏过程,得到其打开压强为2.15 MPa,有限元数值计算结果与公式计算结果符合较好。设计了金属膜片打开破坏的单项试验,5次试验平均打开压强为2.10 MPa,数值模拟的破坏形式与试验结果一致。通过区间估计,计算了膜片真实平均打开压强置信度为90%的置信区间为[1.90 MPa,2.30 MPa],该范围可以较好满足脉冲发动机的使用要求。     

高室压脉冲液体火箭发动机特性试验

为了研究高室压脉冲液体火箭发动机工作原理,增压规律以及脉冲特性,通过一系列冷热流试验对试验发动机进行了研究。冷流试验中使用水和氮气作为工质,试验发动机实现自主脉冲工作,验证了差动式可移动活塞应用在推力室中具有增压效果。热流试验中使用气氧/酒精为推进剂,使用传统挤压式推进剂供给系统。在可移动喷注器行程0.8mm条件下,获得9次连续脉冲,燃烧室峰值压强5.511MPa,高于推进剂供给压强（氧气路3.761MPa,酒精路4.424MPa）,表明在相同的推进剂供给压强下,高室压脉冲液体火箭发动机能提高燃烧室压强。     

膜片隔离阀脉冲激光焊接工艺分析

膜片隔离阀广泛应用于单组元液体火箭发动机,金属膜片和壳体的激光焊接是该产品需重点关注的工艺过程。通过分析产品焊接结构,得出宜采用热导焊、短焦镜头和低峰值功率进行膜片隔离阀脉冲激光焊接的结论。设计脉冲宽度、脉冲频率、重叠系数和离焦量的4因素正交试验,通过分析焊缝外观质量和接头熔深,获得各因素影响焊缝熔深的主次顺序及适用于膜片隔离阀的激光焊接参数。提出采用修正功率密度综合表征脉冲能量和离焦量对熔深的影响,分析结果表明,焊缝熔深随着修正功率密度的增加而增大,膜片隔离阀需选取较小修正功率密度和较低焊接速率或者较大修正功率密度和较高焊接速率来满足其性能要求。采用正交试验获得的激光焊接工艺规范所生产的膜片隔离阀,焊缝质量、密封质量和破裂压力稳定性均能满足设计要求。目前,膜片隔离阀已配套至多种型号飞行产品,并通过了飞行及试车考核。     

潜入喷管背部容腔对点火初期压强振荡影响的数值研究

为深入了解点火初期药柱表面的压强振荡情况,采用计算流体力学软件FLUENT对固体火箭发动机喷管堵盖打开前的点火增压过程进行了轴对称数值计算,探讨了潜入喷管背部容腔对压强振荡的影响.计算结果表明,发动机头部和背部容腔内压强振荡最为剧烈,压强峰值和升压梯度峰值随容腔体积的增加而递减.结论可为药柱裂纹的扩展研究及固体火箭发动...     

锥柱形加筋金属膜片变形的数值仿真分析

概述了金属膜片贮箱膜片结构的研究现状,提出了锥柱形加筋膜片整体结构变形问题。根据试验情况建立了该膜片的有限元模型,并基于非线性有限元软件MSC.Marc进行了数值模拟,分析了膜片结构的变形过程和变化规律,通过对加筋结构的分析解释了膜片变形的机理,得到了一些控制膜片失效的方法。     

某端燃固体火箭发动机脱粘面临界尺寸的研究

建立了含脱粘面的某固体火箭发动机工作过程的数学模型，根据脱粘面不扩展条件下得到的发动机工作过程中压力变化仿真曲线，进行了装药应力应变场的三维粘弹性有限元计算，并采用J积分断裂判据，预估了在发动机工作过程中脱粘面可能发生扩展时的临界尺寸。     

金属膜片充压翻转的动态仿真方法研究

弧长法是目前膜片翻转仿真使用最普遍的方法,但该方法存在收敛性差、计算效率低等问题。基于理想气体状态方程,建立锥柱形金属膜片充压翻转的流固耦合有限元模型,提出膜片充压翻转的显式动态仿真法。通过与基于准静态分析的弧长法分析结果和实验结果的对比,验证了显式动态仿真结果的合理性。研究了充气速度对膜片翻转过程中压差曲线和偏心程度的影响。所提方法计算效率高,解决了目前仿真分析中存在的收敛性问题,为金属膜片设计提供了一种重要的仿真技术手段。     

改善高强钢抗氢致延迟断裂性能的热处理新工艺

本文用实验证实,回火马氏体态的高强度结构钢之氢脆敏感性可以通过亚温淬火工艺得到显著改善,即在正常的淬火和低温回火之间增加一次加热到稍低于Ac_3点的(α γ)两相区淬火可以使30CrMnSiA钢氢致延迟断裂临界应力σ_c提高几倍,同时还保持原有的强度水平。     

固体火箭发动机推力终止过程的数值分析

本文指出,在大、中型固体火箭发动机的推力终止过程中,打开反向喷管(或辅助排气孔)必定导致产生一系列强度相当大的压力脉冲,而现有的理论分析均不能预估和解释这一现象。本文提供了一组冷模拟实验结果,讨论了产生压力脉冲的原因,提出了估算其强度的方法,并且应用特征线法和激波拟合法进行一维非定常流动的数值计算,发展了一种能够同时预估压力脉冲强度的内弹道计算程序。预估结果与实验曲线吻合良好。     

大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布分析

采用均匀设计方法设计数值试验,研究大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程性能散布特性,利用逐步回归法得到堵盖打开时间、推进剂初焰时间、点火压强峰值及时间4个性能参数与散布影响因素的回归关系式,分析了各项性能散布指标与其主要影响因素的关系。结果表明,堵盖打开时间散布取决于堵盖强度,推进剂初焰时刻散布由其着火临界温度控制,点火瞬态压强峰值时刻散布由推进剂密度和喷喉直径控制,点火压强峰值散布主要受推进剂密度、着火临界温度和喷喉直径的影响;并提出了降低散布的工程措施。     

固体火箭发动机药柱裂纹扩展判据的统计分析

针对固体火箭发动机药柱裂纹扩展机理及其危险性研究的复杂性,选择发动机工作过程中裂纹失稳扩展作为发动机判废的标准,采用实验测量和数值仿真的方法,确定出了不同贮存期某型固体火箭发动机在点火发射过程中,其药柱星角处横向贯穿楔形裂纹发生失稳扩展的临界深度,应用数理统计分析,给出了含该型裂纹的发动机安全工作的裂纹深度阈值曲线,从而为制订发动机的判废标准提供理论依据。     

翼柱形药柱发动机点火瞬态三维数值模拟

采用流体计算软件(Fluent),通过用户自定义函数(UDF),考虑了燃烧室瞬时压强变化的影响,对某固体火箭发动机点火瞬态内流场进行了三维模拟,得出了点火瞬态头部压强一时间变化曲线.结果表明,堵盖打开前燃烧室压强振荡1次,堵盖打开后燃烧室压强振荡3次;随着点火燃气不断加入,燃烧室压强从头至尾呈现先弱后强的变化趋势.该方法能较好地预示点火瞬态的启动特性.     

嵌金属丝端面燃烧发动机非平行层燃面退移与参数辨识

针对嵌金属丝端面燃烧发动机试验曲线中,难以使用平行层退移理论来解释和预测的一类异常压强峰进行了研究。定性地确定了嵌金属丝端面燃烧发动机中可能引起非平行层退移的因素,运用准一维稳态流场模型、快速近似传热分析和Level set方法,对这些因素造成的影响进行定量的参数辨识,从而来解释和预测发动机试验曲线中所出现的异常压强峰。结果表明:根据参数辨识结果进行的仿真所输出的曲线与试验曲线高度吻合,成功复现了平行层燃烧理论所无法预测的压强峰值。该方法具有通用性,可直接应用于类似发动机的内弹道预示。     

固体发动机药柱表面裂纹的处理

工程实际中通常采用于药柱表面裂纹处铲槽的方法来释放裂纹尖端的应力应变集中,以确保药柱含裂纹的固体发动机能正常点火发射.为确定铲槽的深度和宽度,基于线粘弹性三维有限元,首先确定发动机药柱点火发射时的危险部位;其次,在危险部位设置深度不同的裂纹,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的各类应力强度因子,由此判断裂纹的稳定性,以确定是否需要对裂纹进行铲槽处理;最后,确定在危险裂纹处需要铲槽的深度与宽度.通过对某翼锥-圆柱组合型药柱在点火发射时的数值分析,提出了药柱危险部位裂纹的处理方法,量化了药柱表面裂纹的处理.该方法可为修复药柱表面含缺陷的发动机提供参考.     

随机振动疲劳试验的小裂纹扩展分析方法

针对某型液体火箭发动机管路接头的随机振动疲劳试验,基于断裂力学的小裂纹理论进行了裂纹扩展寿命分析.分别从小裂纹应力强度因子计算、疲劳应变/应力谱、裂纹扩展速率曲线以及裂纹扩展计算程序等方面进行了研究.使用FRANC3D(试用版)进行三维裂纹的有限元计算,得到了管路结构表面裂纹的应力强度因子变化规律;对应变实测数据进行了...     

电动泵压式发动机系统方案与性能评估

提出了一套电动泵压式液体火箭发动机系统方案,编写了发动机评估程序,能够预估给定推力、混合比、室压条件下,发动机比冲及各组件质量。研究结果表明,电动泵发动机适合作为长时间工作的动力;存在与室压相关的临界时间点,系统工作时间大于该时间点时电动泵发动机相比燃气发生器循环质量更轻;室压大于2 MPa,工作时间大于317 s时,电动泵系统具备质量优势。     

燃烧室对接狭缝设计参数对压强振荡的影响研究

为了获得分段式固体发动机药柱对接部位狭缝宽度对发动机压强振荡的影响规律,针对某典型分段式固体发动机建立了二维轴对称模型。采用大涡模拟(LES)方法,以"突扩比"为重要设计参数,完成了6种不同"突扩比"设计条件下的分段式发动机流场稳定性数值模拟,并分别对其压强-时间曲线进行了FFT分析。结果表明,随着"突扩比"的逐渐增大,燃烧室压强振荡频率基本不变,但压强振荡的幅值总体上呈现下降的趋势。所得分析结果已得到试验的初步验证。     

用于火箭发动机的高温高压光学通道

本文对液体火箭发动机热气系统视窗组件的设计,制造和试验进行了描述。航天飞机主发动机燃料预燃室的热气体可用视窗进行光学测量,该部件采用多路遥控光学测量技术,其中包括:Raman温度和核素集聚测量,Raleigh温度测量,燃烧辐射监测,流量测绘,激光感应以及发动机工作期间构件图像。该视窗组件已成功地在810.93K下检测到55.12MPa压强以及在室温下测到75.79MPa以上的压强。计算机应力分析表明:该视窗既耐高温且能经得住低温冲击。     

弹体结构平方米级扇形区域脉冲外压加载技术

针对弹体外表面平方米级区域的高峰值、短脉宽压力加载难题,依据一维可压缩流设计了高压腔、膜片腔、试验腔的气腔加载系统,附加了与试验件随形、扩展加压面积、均化压力分布的水腔,实现了平方米级区域1 MPa峰值、10 ms上升沿的脉冲压力加载要求,建立了弹性水腔的两自由度压力分析模型,获得了水腔系统的动特性参数,计算拟合曲线与...     

固体火箭发动机卧式贮存状态界面应力数值分析

根据推进剂的材料特性及受载,用线粘弹性理论在ANSYS有限元软件中建立了某长期无翻转卧式贮存固体火箭发动机燃烧室筒段的有限元模型。计算了实际贮存、真空和高压三种典型状态下危险部位的界面应力。该方法对发动机的免维修和寿命预估有一定的参考价值。