可控固体推进技术研究进展

可控固体推进技术是指在基于含能材料为工质的固体推进剂燃烧过程中,借助一定措施使得推进剂的燃烧方式可控,燃速可调,实现推力可随机控制的推进技术。其可对推进剂燃烧状态进行主动控制,有望从根本上解决固体推进剂发动机推力主动、随机控制等关键技术难题。从推力可控实施方案、对应推进剂类别以及其应用技术等方面对当前可控固体推进技术研究进展进行了综述,并对部分可控固体推进技术中的推力可控实施方案提出了建议。     

低温下三组元固体推进剂燃烧波阵面变化规律实验研究

深入了解高能固体推进剂在低温条件下燃烧性能,获得燃烧波阵面变化规律,对评估推进剂在低温条件下的适应性能力具有重要指导意义。本文设计了燃烧波狭缝观测实验装置,采用高速摄影观测技术,对三组元HTPB固体推进剂在常温和低温条件下的燃烧过程进行了观测,获得了燃烧过程中波阵面的图像。结果表明,相比于在常温条件下,固体推进剂在低温条件下出现了燃烧波不稳定的情况。根据燃烧波图像计算出了推进剂的燃速,并与靶线法燃速测量结果进行比较。结果表明,两种方法测量的结果差异较小,推进剂在低温条件下的燃烧速度明显低于在常温条件下,常温条件的燃速在1.717～2.127mm/s,低温条件下的燃速在1.252～1.583mm/s。     

关于固体推进剂燃烧不稳定性研究

本文介绍了英国火箭推进研究院进行固体推进剂燃烧不稳定性研究的工作计划。 文中讨论了数据采集和处理的技术,并例举了实用发动机燃烧的不稳定性。还描述了研究不稳定性的发动机和测量在振荡压力和速度条件下固体推进剂试样的燃烧速率系统。给出一些实测结果的例子。     

端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题研究

本文论述了端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题,总结和分析了端面燃烧固体火箭发动机产生爆炸的重要原因.实验表明:在选择端面燃烧装药的初始增面率时,采用木制假药柱和推进剂短药柱构成的装药会给实验结果带来很大的偏差,导致选出不合适的初始增面率,把它应用在相同尺寸的固体推进剂端面燃烧药柱中时,将会引起发动机产生爆炸.     

含缺陷固体装药燃烧异常实验分析

利用高速实时Ｘ射线荧屏分析技术,对固体火箭发动机装药经常出现的主要缺陷导致的异常燃烧现象进行研究,提出了含不同类型缺陷装药结构破坏的条件和模式,描述了推进剂裂纹、气孔和脱粘槽穴内的点火、燃烧和结构变形现象,分析了双基、丁羟、ＮＥＰＥ推进剂裂纹进一步扩展趋势和临界条件,为评估固体发动机含缺陷装药燃烧安全性提供了实验依据和分析方法。     

固体推进剂燃烧催化原理分析

本文从各类固体推进剂燃烧的火焰结构比较出发,寻找燃烧反应中慢速因子反应的决速步骤。介绍了半导电性氧化物,无机与有机酸盐,络合配位化合物,与二茂铁类衍生物对固体推进剂燃烧催化原理。也介绍催化剂组合协同效应。由此引出探索更理想催化剂分子结构的技术途径。     

HMX相变特性及提高硝胺推进剂力学性能的途径

HMX是硝胺无烟固体推进剂的重要组分。木文介绍了β→δHMX的环形结构固相相变特性以及它与推进剂的力学性能和燃烧特性的关系。 本文还介绍了提高硝胺固体推进剂力学性能的技术途径。     

数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。     

激光测速仪用于固体推进剂燃烧流场诊断的可行性分析

激光测速仪能否用于固体推进剂燃烧流场的诊断,这是固体推进剂燃烧研究工作者所关心的问题。本文从激光测速的原理出发,结合固体推进剂燃烧的具体特点,从理论和实际应用上分析了这一测试新技术的优点、存在问题和可能解决的办法,指出了它作为固体推进剂燃烧流场诊断工具的前途和巨大潜力。 激光测速是一门新兴的测量流场速度的先进技术。激光测速仪与皮托管和热线风速仪等传统的测速方法相比,具有不干扰流场、测速范围宽、测量精度高、测速方向灵敏、空间和时间分辨率高、测量前无需标定以及只对速度敏感而与流体的其他参量无关等优点。正因为如此,激光测速技术特别适用于很多特殊的流体力学课题的研究,例如燃烧火焰、旋转叶轮、狭窄通道、化学反应流、高强度湍流、激波、粘性边界层、各种风洞和水洞、以及那些无法用皮托管或热线风速仪测量的其他场合。     

用X光电子能谱研究复合固体推进剂燃烧机理

本文介绍了X光电子能谱(XPS)分析技术在复合固体推进剂燃烧机理研究中的应用。用XPS分析对一种呈负压力指数燃烧特性的聚氨酯复合固体推进剂(404-5A)的未然表面和在2、2.5、3.0、3.5、4.0MPa压强下快速降压熄火后的燃烧表面作元素组成及其化学价态的分析,得到了不同价态的各元素原子百分含量。从实验结果可以确定CaCO_3在凝相反应中生成了CaCl_2。从燃面上碳原子浓度随燃烧压强的变化说明了燃烧过程中存在着熔化的粘合剂对过氯酸铵表面的流动覆盖,覆盖程度随着燃烧压强的上升而增加。本文还对CaCO_3、粘合剂流动覆盖在燃烧过程中的作用进行了探讨。     

基于混合方法的膨胀腔非稳态流动及气动噪声分析

采用混合方法对气流作用下的膨胀腔的非稳态流动和气动噪声进了数值仿真分析。建立基于有限体积法的流体仿真模型,采用大涡模拟方法对膨胀腔内部非稳态流动进行计算。数值仿真结果捕捉到了腔体内部非稳态流动以及涡量的发展变化过程,并与实验观测结果基本吻合。采用积分插值的方法将流场结果插入声学网格上,基于气动声学理论计算腔体内部的流噪声源。建立声学仿真模型,将流噪声源导入声场网格中计算远场响应点的声压,并与实验结果进行对比,声压级以及共振频率都吻合良好。结果表明:混合仿真方法准确直观揭示出管内流噪声产生的机理和过程,尾管辐射噪声的仿真结果与实验结果及理论计算结果的偏差都在5%以内。      

含MSD铝合金平板的剩余强度试验研究

针对飞机结构中日趋显著的多部位损伤(MSD)问题,进行含多部位损伤铝合金平板结构剩余强度的试验研究.试验中使用三种不同的试验件,将其在相同应力水平下预制出一定长度的多条裂纹后拉断,记录断裂时的载荷.试验结果与常用的五种评估含多裂纹结构失效准则进行计算分析和对比,了解各个准则的准确程度.最后的对比表明,五种估算剩余强度的方法中,净截面失效和裂纹尖端张开位移法误差较大,断裂力学估算方法对于有显著主裂纹的情况更适用,塑性区连通和平均应力准则预测的偏差较小.     

脉冲发动机中隔层传热炭化模型

为分析脉冲发动机中隔层的绝热效果及温度变化情况,推导了隔层两种炭化模型的计算公式,对比实际发动机试车结果,模型一误差为20%,模型二误差为6.7%,炭化模型二具有较好的精度;数值模拟了隔层的热传导过程,将是否考虑炭化影响的隔层传热深度及温度分布与理论计算结果进行对比,未考虑炭化影响计算结果的误差在14.3%以上,考虑炭化影响计算结果的误差均小于10%。研究结果表明,预估隔层炭化深度时,应该运用炭化模型二;计算隔层的温度场分布时,必须考虑炭化影响。     

冲击＋同向对流＋气膜冷却的三维壁温计算与分析

采用Fluent 6.3软件对冲击＋同向对流＋气膜冷却结构的壁温进行了流固耦合传热计算,获得了该复合冷却结构的壁温和冷却效果分布规律,并将计算结果与试验结果进行了对比.结果表明：冲击＋同向对流＋气膜冷却具有壁温分布均匀、冷却效果好等优点.计算结果与试验结果的分布趋势一致,最大相对误差为3.6%.     

轴流压气机引气后流场的数值模拟

选取了NASA Stage 35作为算例进行压气机引气数值模拟研究.通过对比验证了网格无关性和计算的准确性,应用两种数值实现方法分别进行圆孔和槽引气计算,两种数值方法的结果基本吻合.进行了两种引气方式（即圆孔和槽）的对比.结果表明:槽引气转子出口总压损失小,效果好于圆孔引气.应用NUMECA软件自带引气模块操作简单,容易实现.绘制引气管路网格增加了流道网格绘制的难度和计算边界条件设置的复杂度,但更加符合压气机实际的引气情况.引气后压气机效率 流量曲线整体上移,总压比 流量曲线下降,失速裕度有较大提升.      

锥形液膜Kevin-Helmholtz波不稳定性的实验研究

采用PIV激光粒子测速仪获得了不同喷嘴液压差下锥形液膜子午截面的波动破碎图像.测得不同液压差下离心喷嘴锥形液膜的各项特性参数, 如液膜半锥角、液膜破碎前长度等.研究了半锥角和液膜破碎前长度随液压差的变化规律.根据试验结果, 总结出了计算C参数的经验公式, 并利用此关系式求解色散方程, 得到不同液压差下的液膜破碎点扰动波波长.预测值和实验结果进行了对比, 对比发现:理论预测值的变化趋势同实验结果完全一致.      

法向接触刚度对螺栓连接结构振动模态的影响研究

从理论上研究了影响法向接触刚度的主要因素,导出了其计算公式;基于Ansys Workbench软件螺栓预紧力模块,利用优化接触面间的法向刚度因子方法,对螺栓连接结构进行了模态分析;最后对计算结果与模态试验结果进行比较分析。研究表明:模态参数的有限元计算结果与试验结果吻合较好。     

R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟

采用SIMPLE算法,应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率／涡耗散化学反应模型,对R011O重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致,火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。计算和对比分析的结果表明,计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。     

高空通风活门内流场特性数值模拟和试验验证

为准确掌握大通风量条件下高空通风活门工作特性,以高空通风活门为研究对象开展流场特性数值仿真分析技术研 究,对不同膜盒间隙的高空通风活门内部流场进行对比分析,获得了不同入口质量流量条件下高空通风活门的压降特性曲线。结 合滑油系统附件试验器改造,利用小量程与大量程体积流量计组合形式实现纯空气体积流量的测量,开展了高空通风活门压降试 验,并将试验结果与数值仿真分析结果进行对比验证。结果表明：仿真分析结果与试验结果吻合较好,流场特性仿真分析方法可 用于高空通风活门压降特性预测,现有高空通风活门在不同膜盒间隙下内流场特性相似,其压降主要集中于膜盒间隙处,改善膜 盒间隙处结构,可有效降低压降。     

航空发动机2 级风扇的数值研究

运用ANSYS CFX 11.0和home-code程序对AI222发动机风扇流路气动参数进行了3维CFD(Computational Fluid Dynamics)计算;通过3维建模,实现了风扇主要积分特性和局部参数计算。通过与风扇进行大量试验结果的对比,验证了计算结果,并找出了产生差别的原因,得到了风扇总特性以及气流径向参数的计算值与试验值的吻合度。结果表明:通过运用3维建模计算方法简化了风扇设计过程,缩短了风扇从设计到试验的时间,降低了航空发动机部件的设计成本。