固体火箭发动机喷管型面最佳化技术的研究

本文分析了喷管型面结构对固体推进剂火箭发动机性能和效率的影响。本研究使用三种分析方法,它们是:赫克力斯的Ⅰ_(SP)法(HIMET),固体性能程序(SPP)和普度大学 Jo-seph Hoffman 博士的直接寻求法。这些分析方法确定发动机中的流动和热损失,并以比冲(I_(SP))损失表示。在本分析中,分别考虑了扩散、摩擦、热、粒子滞后、侵蚀和化学不平衡等方面带来的损失。对采用抛物线、园弧线和特征线的喷管型面的发动机进行了性能比较。在固定喷管外轮廓(长和直径)不变的条件下研究了典型的低空和高空工作的发动机。这些计算结果对喷管型面设计有了有益的深入理解。本研究指出:第一,最佳起始扩散角随所采用的喷管型面和分析方法而变;第二,对于给定的喷管外轮廓,不论是抛物线型面、园弧线型面还是特征线型面,所获得的最大比冲基本上是相同的;第三,如果喷管型面不是最佳,就会出现明显的性能损失;第四,分析的Ⅰ(SP)预示方法能有效地用于固体推进剂火箭发动机的喷管型面设计;第五,可延伸出口锥能改进主喷管的性能。     

固体推进剂火箭发动机的性能予示和高膨胀比喷管的应用

提出了予示固体推进剂火箭发动机的比冲和特性速度的分析方法。这个方法强调了二维两相流分析,它是以准确的跨音速解为基础,并且给出金属含量高的推进剂的大部分性能损失。它应用于可忽略燃烧损失和出口锥上无粒子撞击的发动机。以一系列的缩比发动机、全尺寸发动机和5台装有高膨胀比喷管的远地点发动机实验结果为背景,评价了它的有效性。膨胀比在很宽的范围内(从9到92)在予示值和实验结果之间完全一致。从本研究得出结论,提出的这个方法是性能予示的一个很准确工具,并且对高膨胀比喷管的气动力设计和分析很有用,这样的喷管对期待中的未来应用是特别有意义的。     

固体推进剂发动机的比冲予示

实际比冲的理论予示方法大家是比较熟悉的.这些方法包括计算由于两相流、扩散、边界层、动能、喷管潜入和不完全燃烧造成的损失。在典型的加铝推进剂中最大的计算损失是两相流损失;由于粒子的大小和分布是不能精确知道的,因此这种计算也就具有最大的不精确性.本文中把由试验数据获得的平均粒子直径与喉径的关系用在固体火箭性能予示程序(SPP)方面,以便予示一系列发动机的推进剂比冲。这些予示与试验结果进行比较。结果指出比冲效率可认为与推进剂的本质有关.此外,试验比冲和比冲效率对发动机和推进剂变量是统计地相关的。这些相关性与较复杂的、较昂贵的理论分析一样准确.除比冲予示外,相关方程在发动机设计最佳化中是有用的。     

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。     

燃气自增压混合火箭发动机特性及关键技术分析

针对燃气自增压混合火箭发动机,建立了性能计算模型,对该型发动机的比冲性能及推力调节性能进行了研究,并系统梳理了该型发动机存在的主要关键技术。计算结果表明,燃气混合火箭发动机具有比常规固体火箭发动机更高的比冲性能,其中氧化剂采用N2O时,可同时兼顾高比冲和高体积比冲的优势;相对于传统的固液混合火箭发动机,燃气混合火箭发动机的理论比冲略低,但具有更高的体积比冲;合理选用燃气发生器中推进剂的燃速压力指数,可确保推力调节过程中氧燃比不发生大幅变化。     

可燃喷管固体发动机性能初探

可燃喷管固体火箭发动机具有成本低、可靠性高等优点,可用作运载火箭助推器,本文对它的性能进行了初步探索。理论计算的内弹道曲线及喷管型面与实验结果基本一致,实验结果表明,该发动机的比冲稍低于钢喷管发动机的比冲;喷喉圆柱段的燃速比收敛段和扩散段的燃速高,燃烧规律也不相同。     

二次抛物线型面喷管参数的优化选择

二次抛物线型面是火箭发动机喷管较常用的一种型面，对其参数进行优化选择是必要的，在喷管型面长度和出口扩张半角确定的条件下，优化方法是把比冲作为目标函数，利用一维等熵流的气动力公式，二次抛物线型面的几何关系和计算机求极大值方法，确定达到比冲最佳值的设计变量一喷管初扩张角和出口马赫数。     

固体火箭发动机飞行比冲的再现

飞行时的发动机平均比冲通过以加速度为基础的再现火箭速度来计算,推导比冲公式使用的模型中,考虑了推进剂和惰性物质的排放量、理想飞行速度方程及计算的速度损失。但是,一些固体火箭发动机出现了尚不明了的地面与飞行间的比冲损失。求大力神—4固体助推器比冲的经验表明:燃烧过程中比冲的变化可以计算这部分损失。推导了变化比冲的理想速度方程并加以讨论,指出比冲变化的原因。     

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。     

可燃喷管固体助推器的研究现状

本文介绍了低成本、高可靠性运载火箭固体助推器可燃喷管的研究现状.可燃喷管是用一种低成本、高强度和低燃速推进剂制成的,宅在工作过程中可以燃烧,有利于固体火箭发动机降低成本和提高可靠性.其可行性已由美国联合工艺公司所验证,并由φ152mm 和φ762mm 发动机试车所证实.试验结果表明,可燃喷管的消蚀速率(相当于药柱的燃速)高于预估值,发动机性能优于预计情况(实际比冲比预计比冲1979.6N·s/kg 高25.5N·s/kg).     

整体式固体火箭冲压发动机的理论探讨

通过编制固体火箭发动机热力学计算程序，对整体式固体火箭冲压发动机进行了性能计算，还就空燃比及推进剂中金属粉末含量对发动机比冲坟和冲压燃室温度的影响进行了分析。     

温度敏感性和侵蚀燃烧

减少推进剂初温对固体火箭发动机性能的影响,一段时间以来从推进剂组分来说一直是毫无办法的。最近,无喷管火箭发动机的试验指出,其温度敏感性明显地低于有喷管的发动机。这样我们可以假定,减少发动机温度敏感性的途径可能存在于推进剂组分之外。对无     

航天飞机固体发动机的性能改进

航天飞机固体火箭发动机经过性能改进,将会增加从东、西发射场发射的航天飞机的有效载荷。美国航宇局确定的目标是:1983年从东发射场发射的航天飞机的有效载荷要增加3,000磅;1986年从西发射场第四次发射的有效载荷要增加8,000磅。对固体火箭发动机的若干种性能改进方案进行了研究和评价,其具体内容涉及增加有效载荷的潜力、技术上要冒的风险、进度安排、成本以及对航天飞机系统性能的影响。研究结果表明,在现有工装、设备和对接面受控条件下,缩小喉径,增加喷管长度和出口直径,就可以使喷管膨胀比由7.16增至7.72,从而提高比冲。通过对发动机药柱抑制药型的简单改进,也可使发动机在前段工作期内产生更大的推力。这些改进可使航天飞机的有效载荷增加3,000磅。这些方案是聚硫橡胶公司华赛奇分公司在1980年10月提出的,1982年将进行全面验收试验。为满足西发射场第四次发射任务的要求准备了几种长期改进方案,包括采用纤维缠绕壳体、丁羟推进剂(HTPB)和进一步增加喷管膨胀比。纤维缠绕燃烧室方案最引人注意,增加有效载荷的潜力最大。根据1982年2月与航宇局签定的可行性研究合同,聚硫橡胶公司将对这一方案进行评价。另外,采用丁羟推进剂也可增加有效载荷。     

单室双推力固体火箭发动机装药

从理论上分析了单室双推力固体火箭发动机产生两级推力的机理.给出了在喷管膨胀比不变的条件下,采用改变燃烧面积和改变推进剂燃烧速度的方法设计出的若干种斗室双推力固体火箭发动机的装药型式.扼要介绍了单室双推力固体火箭发动机近年来应用新技术、新材料和新工艺的情况.     

水下固体火箭发动机的负推力现象研究

针对水下固体火箭发动机工作环境压强高的特点,结合固体推进剂的燃烧特性,采用UDF方法定义喷管入口边界条件,建立了固体推进剂燃气质量生成与水下超音速气体射流的耦合计算模型。将该模型的计算结果与水下固体火箭发动机的实验测量结果进行对比,验证了该模型的合理性。研究发现,水下固体火箭发动机在点火初期会出现负推力现象,负推力产生的原因是发动机点火初期,喷管内被过度压缩的燃气冲出喷管后,在喷管尾部形成一个超音速燃气泡,超音速流动使泡内压强降低;同时受到流动惯性作用的影响,气泡持续膨胀使泡内压强进一步大幅降低,发动机前后端面上的压差最终导致负推力现象产生。     

小推力长时间工作固体火箭发动机初步试验研究

为了实现小推力固体火箭发动机的长时间工作,对4种采用复合推进剂端燃药柱的发动机进行设计和试车.工作时间分别达到75、105、145、235 s.试验结果表明,该发动机设计方案合理,采用这种C/C喉衬的复合结构喷管实现长时间工作是完全可行的.其中,75 S发动机的地面比冲为2 217 N·s/kg;145 s发动机的地面比冲为2 236 N·a/kg;235 s发动机的地面比冲为2 147 N·s/kg,性能测试结果基本满足发动机总体指标要求.此外,在试验过程中,还获得了C/C喉衬的烧蚀和绝热层的烧蚀炭化规律,为后续开展长时间工作固体火箭发动机研究提供了重要参考.     

高膨胀比喷管内的液体二次喷射推力方向控制

1 前言向火箭发动机喷管的超音速部分喷射二次流体使其改变推力方向的二次喷射推力方向控制(SITVC)方法主要用于难使整个发动机作方向运动的固体火箭。SITVC的性能受二次流体的种类、喷管的膨胀比、喷射流量、喷射位置,喷射孔形状等多种喷射参数的影响。二次流体使用液体时(LITVC),可通过喷射剂的蒸发在喷射     

塞式喷管单元发动机实验与数值模拟研究

简要介绍固体推进剂模拟塞式喷管单元发动机实验系统，给出了实验塞式喷管型面设计方法和特征线法在塞式喷管流场计算中的应用，癖结了实验研究结果，并同数值模拟计算结果进行了比较，主要结果包括燃烧室压力，底部气锥流量，内膨胀比，侧喷管倾角，底部压缩角等对塞式喷管性能的影响，并得出了塞式喷管单元发动机推力方向与其轴线方向夹角的高度特性。     

液体火箭发动机替代固体捆绑式火箭发动机助推器研究

本文将讨论应用简单的挤压式液体火箭发动机助推器替代现有固体捆绑火箭发动机的可能性,并且探讨如何制造同固体火箭发动机相同经济效益的火箭发动机,而不出现固体火箭发动机的安全和操作缺限。固体火箭发动机经济效益好并被广泛使用。但是它表现出明显的安全和操作缺限,用现有经费模型探讨固体火箭发动机的经济效益,并说明其原因。为此促使我们比较分析简单的挤压液体火箭发动机级,此液体火箭发动机级采用固体火箭发动机有相同经济效益的烧蚀冷却液体火箭发动机。本研究所选择的液体推进剂是过氧化氢和煤油,它具有可与固体火箭发动机相竞争的经济和性能特性。研究表明没有实际的液体推进剂组合可以获得固体火箭发动机那样的的密度比冲,应用过氧化氢和煤油的液体火箭系统是现有或未来运载火箭增加推力的一种经济的方案。     

《固体火箭技术》2002年度总目录

第一期发动机固体火箭发动机可靠性评定技术刘朋 ,张平 (1)……………串联双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算鲍福廷 ,赵飞 ,李进贤 (5)………………………………………双斜喷管固体火箭发动机流动特性数值模拟刘君 ,郭健 (8)……………………………………………………喷管收敛段与喉部型面对喷管流量的影响陈林泉 ,李岩芳 ,侯晓 ,董新刚 (10 )……………………………复合固体推进剂应力分布的数值模拟及损伤萌生分析彭威 ,周建平 ,赵维昌 ,蒙上阳 (12 )……………………………超音速流在正规反射激波系后的参数优化特性陶钢 (16)……速燃…