自燃推进剂火箭发动机燃烧不稳定性研究

发展了自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）火箭发动机燃烧不稳定性的综合分析模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,研究了燃烧不稳定性的机理,提出了轴向声腔模型并对其抑制不稳定燃烧的特性进行了数值模拟研究,得到了声槽特性频率驿燃烧不稳定性的影响规律,描绘出声腔影响燃烧不稳定性的具体场景,数值模拟结果与理论分析及试车结果是相符的,对轴向声槽的分析设计将具有广泛的指导意义。     

Numerical evaluation of acoustic characteristics and their damping of a thrust chamber using a constant-volume bomb model

In order to numerically evaluate the acoustic characteristics of liquid rocket engine thrust chambers by means of a computational fluid dynamics method, a mathematical model of an artificial constant-volume bomb is proposed in this paper. A localized pressure pulse with a very high amplitude can be imposed on specified regions in a combustion chamber, the numerical procedure of which is described. Pressure oscillations actuated by the released constant-volume bomb can then be analyzed via Fast Fourier Transformation (FFT), and their modes can be identified according to the theoretical acoustic eigenfrequencies of the thrust chamber. The damping performances of the corresponding acoustic modes are evaluated by the half-power bandwidth method. The predicted acoustic characteristics and their damping for a special engine combustor agree well with the experimental data, validating the mathematical model and its numerical procedures. A small-thrust liquid rocket engine chamber is then analyzed by the present model. The First Longitudinal (1L) acoustic mode can be excited easily and is hard to be damped. The axial position of the central constant-volume bomb has little influence on the amplitude and damping capacity of the First Radial (1R) and 1L acoustic modes. Tangential acoustic modes can only be triggered by an off-centered constant-volume bomb, among which the First Tangential (1T) mode is the strongest and regarded as the most harmful one. The amplitude of the 1L acoustic mode is smaller, but its damping factor is larger, as a constant-volume bomb is imposed approaching the injector face. These results are contributed to evaluate the acoustic characteristics and their damping of the combustion chamber.     

液体火箭发动机燃烧室声腔建模方法研究

基于数值模拟技术及有关振动理论,提出了一种建立液体火箭发动机燃烧室声腔模型的方法。为验证方法的可行性,建立了用于带声腔燃烧室全场数值模拟的分区解法,利用这两种方法对同一过程进行的计算表明建模方法是可行的     

MMH/NTO火箭发动机燃烧动态稳定性数值评定

应用脉冲枪不稳定燃烧模型对有／无声腔的MMH／NTO火箭发动机的燃烧稳定性进行了数值模拟,比较了3台MMH／NTO发动机的燃烧动态稳定性,计算与发动机的试车结果一致。     

液体火箭发动机径向不稳定燃烧数值分析模型

应用数值模拟分析方法对液体火箭发动机径向不稳定燃烧完成了初步分析，并分析了声腔的阻尼特性。数值方法采用一步隐式预测、两步显式校正进行非定常流动计算的PISO算法。建立了不稳定燃烧声腔分析模型及压力挑动模型，通过模拟计算压力扰动波的传播过程考察发动机的燃烧稳定性。     

固体药柱超声波特征扫描系统研制

对固体火箭发动机药柱的超声检测方法进行了研究,介绍了超声特征扫描成像原理及缺陷检测方法,研制了药柱超声波特征扫描系统,并用低频组合探头对药柱进行了检测.试验表明,设计的超声特征扫描系统可采用幅度成像、深度成像方法显示药柱的缺陷.     

固体火箭发动机不稳定燃烧时平均压力下降的原因探索

本文提出声湍流概念,指出声湍流引起的能量输运会降低经受适当振幅的推进剂的平均燃速,从而解释了不稳定燃烧推进剂平均压力的下降.本文提出的理论与Morita的实验结果在定性上是一致的,而实际发动机计算与实验结果的比较也证实了本文提出理论的正确性.     

推进剂利用系统对液体火箭发动机性能的影响分析

建立了带有推进剂利用系统的泵式压液体火箭发动机稳态工况的非线性数学模型，用非线性优化方法和小偏差方法计算分析了推进剂利用系统调节阀所控制的燃料流量对液体火箭发动机性能的影响，并对比分析了计算结果。所得结论可用于泵压式液体火箭发动机的控制和调节、试验结果分析、可靠性分析、故障分析，也可用于揭示发动机参数随各种干扰因素的变化规律。     

重复使用天地往返运载器飞行弹道计算研究

介绍了应用于吸气式重复使用天地往返运载器的RBCC动力,根据动力学和运动学方程及地球物理方程式,利用数值积分方法,计算并比较了采用RBCC动力水平起飞、垂直起飞及纯火箭动力垂直起飞的运载器飞行弹道。计算结果表明,相比于纯火箭动力,RBCC动力有效地降低了运载器的燃料消耗量,但热环境明显要恶劣。     

液体火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性的实验研究

对液体火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性进行了深入的实验研究，确定了不同缩进比的气液同轴式喷嘴工作时发生啸叫的参数范围、啸叫的频率和声压级分布，并考察了啸叫对喷嘴雾化特性的影响。结果表明；气液同轴式喷嘴的啸叫区间与喷嘴的结构尺寸有密切的关系．较大的喷嘴缩进比对啸叫有明显的抑制作用，啸叫的主要成分是高频噪声，这种喷嘴啸叫可能成为诱发发动机高频不稳定燃烧的重要因素。另外，实验还发现，在较低的气体喷注压降下，啸叫对喷嘴雾化有一定的强化作用。     

液体火箭发动机静态仿真通用模块化方法

提出了一种新的液体火箭发动机静态仿真模块化计算方法。该方法按照预定的计算顺序,对发动机系统的各个模块进行迭代计算,并采用拟牛顿法求解系统可调变量。该方法对各种发动机静态仿真具有通用性,可用于分析发动机系统内外干扰因素对发动机性能的影响、发动机静态故障仿真或发动机调整计算。该方法能较大地减少系统未知量数目,求解速度快,精度高。该方法已在计算机上采用面向对象程序设计实现,本文给出了用该程序对某液体火箭发动机进行静态特性计算的结果。     

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

火箭发动机推力自校正控制研究

由于飞行器姿态控制和空间探测任务的特殊需要,要求对火箭发动机的推力进行控制。变推力液体火箭发动机可以满足这一要求,但当发动机的推力大范围变化时,发动机的动态特性随之变化,这使得简单的反馈控制难以满足控制要求。为了改善控制品质,本文为此研究了最小方差自校正控制问题。      

用运载器评价发动机方案的方法

早期在对液体推进剂火箭发动机方案进行评价与选择时,仅以发动机本身的指标(如比冲、推重比等)作为方案比较的标准。这样没有考虑发动机子系统与运载器总系统的相互联系,得不到合理的评价结果。液体推进剂火箭发动机是航天运载器的一个子系统,采用运载器的性能指标评价发动机方案才能得到比较客观的结果。 本文推导了运载器的评价指标,给出了运载器的线性化质量方程,阐述了运载器设计参数的简化确定方法,由此提出了一个采用运载器评价发动机方案的方法。最后应用提出的方法对五个发动机方案进行了评价。     

动态神经网络在液体火箭发动机故障检测与分离中的应用

应用动态神经网络在线辨识方法，提出了一种液体火箭发动机故障实时检测与分离基本系统。检测逻辑通过度量包含发动机故障信息的辨识残差信号实现火箭发动机故障检测，故障分离通过分析辨识误差相关函数的不同空间特征来实现。仿真研究表明动态神经网络可成功地应用于泵压式液体火箭发动机故障检测与分离。     

气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响

为了掌握气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响规律以及解释声学实验中出现的切向频率分化现象的内在机理,采用声学有限元方法(FEM)并在单喷嘴声学模拟实验验证的基础上,从固有频率和声压分布角度分析了气喷嘴长度、声腔长度和节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,利用声压分布成功地解释了实验中出现的频率分化现象。结果表明:当燃烧室某阶切向振型频率与喷嘴1阶纵向振型频率相等时,喷嘴由于共振将切向振型声压幅值极值点附近的能量转移到喷嘴中,改变了燃烧室原切向振型的声压分布,因此在声学实验中产生切向频率分化现象;气喷嘴长度与节流嘴直径之间存在着耦合关系,在液氧煤油补燃发动机喷嘴设计阶段可进行组合参数匹配优化。      

补燃循环液体火箭发动机输送系统的频率特性

以某大型泵压式补燃循环液体火箭发动机的输送系统为研究对象,采用两种动态数学模型：在低频区域为集中参数法,在中频区域为分布参数法,进行了发动机动态特性的评估、发动机调节系统的分析,为发动机系统稳定性研究以及火箭飞行中的纵向稳定性计算提供原始数据。     

奇偶空间法用于液体火箭发动机故障诊断

基于液体火箭发动机系统测量输出之间的内在一致性,直接利用液体火箭发动机试车的测量参数, 采用奇偶空间方法对仿真的液体火箭发动机１６种故障进行分离, 结果证明该方法对实现液体火箭发动机故障诊断有较好的效果。     

隔板对燃烧室声学特性的影响

为了研究液体火箭发动机燃烧室出现的横向一阶切向燃烧不稳定,通过冷态声学试验和理论算例的计算,研究了不同参数的隔板装置对一阶切向声学频率及阻尼特性的影响,结果表明:增加轴向隔板长度和径向隔板数目均会降低一阶切向声学频率,同时增强声阻尼效果;喷嘴式隔板产生的声阻尼效果,比典型直板形状的隔板要好得多,隔板喷嘴最佳间隙在0.1~0.4mm,采用最佳隔板喷嘴间隙能够在较短的轴向隔板长度上得到较高的阻尼能力,从而改善冷却问题.      

单室双推力固体火箭发动机推力测试技术探讨

本文通过对某单室双推力发动机推力测试技术的探讨,提出了解决单室双推力固体火箭发动机推力测试技术的改进方法。它对其它发动机也是通用的。