火箭发动机尾喷焰红外辐射缩比特性数值研究

为了研究火箭发动机缩比模型对应尾喷焰辐射特性的相似性,利用喷焰红外辐射特性计算工具(IRSAT)对近地面飞行状态下的不同喷口缩比尺寸、飞行马赫数以及不同谱带内的辐射特性进行仿真计算。计算结果表明,相同尺寸当量时,2.7μm光谱辐射强度增加量大于4.3μm光谱辐射强度;在当量尺寸较小且缩放比例不大(R12)时,辐射强度随马赫数的分布具有一致性;随着当量尺寸的增加,红外辐射相似性随着马赫数的增加逐渐降低。     

固体火箭发动机喷流流场数值仿真

采用The Diagonalized Upwind Navier-Stokes（DUNS）程序对两种火箭发动机的喷管-尾喷焰进行了一体化数值仿真。DUNS程序采用对角化ADI算法对雷诺平均N-S方程进行了求解，求解过程采用三阶精度TVD格式，q-ω两方程湍流模型。首先对文献中典型喷管的喷流流场进行了数值模拟，与文献结果进行了对比，然后针对某型号固体导弹的喷管一尾喷焰在不同飞行高度和不同飞行速度进行了数值模拟，为对该型号导弹的尾喷焰开展红外辐射研究打下了基础。     

多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性可视化研究

为研究高空多喷管火箭动力系统尾焰辐射特性的可视化计算,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型的三维N-S方程描述尾焰流动过程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,采用PISO算法对多喷管动力系统尾焰流动过程进行求解,得到了尾焰流场的各项参数分布.在此基础上,运用气体辐射传输方程和SLG模型对不同方向观测面上接收到的尾焰辐射照度进行计算,得到尾焰在不同方向上的辐射特性分布,进而实现尾焰辐射特性的可视化计算.计算结果表明:高空助推器尾焰的辐射特性要明显强于芯级,其中喷管出口处尾焰的辐射特性最强,最容易被发现和识别;尾焰辐射特性的可视化计算可以有效捕捉到尾焰流场的结构,从而为尾焰的红外追踪与预警研究奠定基础.     

临近空间基红外探测隐身飞机尾焰的仿真研究

针对隐身飞机的识别和跟踪,研究了临近空间平台对隐身飞机尾焰进行红外探测的作用距离及优势。以F22飞机的尾喷管为原型建立尾焰辐射流场模型,获得了尾焰的温度场与压强场,用微观谱带模型柯蒂斯-戈德索(C-G)近似法计算沿任一观测方向尾焰的辐射特性。考虑采用非轴对称喷管、遮挡板、引射技术和气溶胶遮盖等隐身措施,得到了隐身飞机尾焰在不同探测视角下的红外辐射强度。对红外系统作用距离计算模型未考虑背景辐射强度等不足进行改进,修正探测系统作用距离公式,用目标与背景的辐射强度差替代原目标辐射强度,用MODTRAN软件计算出的单位波数间隔内相应波长下的光谱大气透过率替代大气平均透过率,给出了逐步法求作用距离的流程,并计算出了空间、临近空间和地面不同探测平台对隐身飞机尾焰的红外探测作用距离。结果表明:与其它平台相比,临近空间平台对隐身飞机的探测有更大优势。研究为用临近空间平台对隐身飞机的探测提供了参考。     

火箭发动机有遮挡情况的尾焰红外辐射计算

火箭发动机工作过程中的尾焰会产生强烈的红外辐射,对其结构及载荷有加热的效果,同时一些结构成为了遮挡物体,会影响辐射的传输。为了研究复杂的有遮挡状况下的红外辐射传输,采用反向蒙特卡洛方法,编写气体红外辐射计算程序。计算并分析标准等温流场对其表面的辐射强度,与教材算例对比,验证了红外辐射算法的有效性和正确性。针对某尾焰复燃流场,分别计算并分析尾焰流场有无遮挡两种情况下的气体红外辐射强度。并比较了遮挡物在不同形状、尺寸、位置下产生的影响。研究表明:尾焰的辐射会对发动机结构产生热影响;增加遮挡后,被遮挡区域的辐射强度数值明显减小;遮挡的形状、尺寸及位置都会对其效果产生影响。     

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

运用离散颗粒模型对固体火箭发动机及尾焰两相流进行了一体化仿真,得出了各燃气组分和Al2O3颗粒的流场参数分布.通过建立固体火箭尾焰红外辐射模型,计算出了二维轴对称尾焰的光谱辐射亮度.研究表明,颗粒辐射起着主导性作用,颗粒尺寸越小,在4.3 μm波长处气相辐射作用越明显;燃烧室内燃面颗粒速度越大,尾焰辐射越弱;颗粒尺寸越大,颗粒辐射越强,但随燃面颗粒速度增大,辐射降低越快.所得结论与相关文献数据一致,表明计算模型和方法可行.     

固体火箭羽流红外特性的DOM法模拟及高度影响研究

为研究固体火箭羽流的红外特性,建立了贴体坐标系下,考虑气相和Al2O3凝相温度不相等及Al2O3粒子直径变化情况下,计算固体火箭羽流红外特性的方法——离散坐标法(DOM)。计算了光谱2~5μ范围内,某固体火箭发动机在地面及不同飞行高度下羽流的红外特性,研究了飞行高度对羽流红外特性的影响。研究表明:在固体火箭羽流的红外辐射中,粒子辐射起着主导性的作用,粒子辐射在不同的波带对固体火箭羽流辐射的影响有所不同;在高度30~60km范围内,固体火箭羽流在光谱2~5μm沿表面外法线方向的辐射强度随飞行高度的上升而增强。     

飞机的光电特征抑制技术

飞机的各种涡轮发动机具有高的功率质量比 ,对由它引起的尾焰红外辐射进行抑制是飞机红外隐身的关键之一。在不考虑飞机尾焰等因素时 ,飞机蒙皮的光电辐射就显得非常重要。细致研究了飞机尾焰的红外辐射抑制技术 ,即缩小发动机尺寸、修正工作循环、尾焰与空气相混合、喷嘴整形和遮蔽 ,分析了近距离飞机机身的光电隐身技术 ,研究了远距离飞机机身的光电隐身技术     

轨控发动机羽流红外辐射的数值仿真

针对工作在高真空环境下的轨控发动机,数值模拟了其羽流红外特性。首先计算了考虑化学反应的轨控发动机喷管的内流场和外流场,得到了温度、压力、组分浓度等参数的分布。基于HITRAN 2008和HITEMP 2010数据库采用逐线积分法编程计算了气体光谱吸收系数。最后在此基础上用有限体积法建立的求解辐射传输方程的模型,计算得到羽流红外辐射强度在2~10μm范围内随波长变化的曲线。分析了羽流气体组分、波长、探测角度对羽流光谱辐射的影响,与同类文献中的计算结果进行了比较,结果表明：本文的计算模型和方法能较好地模拟轨控发动机羽流的红外辐射特性。     

计算火箭发动机尾喷管红外特性的封闭腔-净辐射法

为计算火箭发动机尾喷管的红外特性,建立了封闭腔-净辐射法,推导了光谱透射因子和光谱吸收因子,以及封闭腔表面辐射净热流-表面及气体温度的方程。作为验证,计算了一个充满均匀辐射性介质的轴对称柱形封闭腔的辐射换热,与文献的计算结果比较有很好的一致性;还计算了一火箭发动机尾喷管的辐射特性,分析了该喷管在中波红外波带2~6μm和长波红外波带8~14μm及全波长的有效辐射和净辐射热流。结果表明,在气体辐射作用下,火箭发动机喷管进出口平面的辐射有一定的光谱差异性;壁面有效辐射沿轴向的分布取决于壁温变化,平直段和收敛段有效辐射较强,扩张段有效辐射较弱;中波红外波带2~6μm喷管的辐射热流占全波长辐射能量的60%以上。     

多机并联火箭羽流流场及其底部热环境分析

针对某多机并联火箭羽流流场结构复杂、底部热环境极为恶劣,有可能导致发动机结构部件失效的问题,通过数值仿真对其飞行过程不同高度下的羽流流场及热环境进行研究,并与热环境实测结果进行了对比分析。计算结果表明:火箭低空飞行时,各发动机羽流互不干扰,随着飞行高度不断增加,羽流逐渐扩张并开始相互干扰,最后在箭体底部出现明显回流,最大热流在起飞时刻,与飞行实测值基本一致。出现回流之前,箭体底部主要受辐射热影响,随着回流出现,对流热流随之增大,但也远小于起飞时刻的热流峰值。计算得到的多机并联火箭羽流流场及其热环境分布对发动机舱外结构热防护优化设计具有一定的指导意义。     

羽流UV-VIS辐射在液体火箭发动机故障诊断中的应用技术研究

为发展基于羽流UV－VIS辐射光谱的液体火箭发动机故障诊断技术,以光谱采集系统为测量手段对三组元模型发动机排气羽流及用以模拟煤油－氧发动机燃烧的气氧－煤油火焰的近紫外与可见光谱辐射进行了实验研究,利用辐射传递模型对实验结果进行了理论计算,利用演化算法对实验结果进行了反算。研究结果表明该项技术具有很强的可行性和实际工程意义。     

高空发动机燃料主管路防热罩设计优化

针对火箭飞行工作中高空发动机燃料主管路系统防热罩存在热防护能力不足的问题,开展了高空羽流条件下的仿真计算和分析,依据温度计算值确定了防热罩紧固件在高温下抗拉伸强度低,在较高拧紧力矩条件下存在锌、镉脆断裂的薄弱环节,从而导致防热罩脱落。防热罩脱落后其内充填的隔热包覆材料被羽流吹落,燃料主汽蚀管连接法兰直接暴露在高温羽流环境中,高温导致法兰连接及密封失效从而产生燃料泄漏。针对防热罩热防护设计中存在的薄弱环节完成了设计改进,采用头锥形防热罩、高温合金材料的紧固件和多层耐高温隔热材料捆扎包覆等设计改进方案后,经过了高温、振动、地面发动机热试车和飞行试验验证,未出现前述故障。     

发动机喷管内流场对流换热系数影响因素的数值分析

基于Roe-FDS格式,采用标准κ-e湍流模型对某液氧煤油发动机喷管内部燃气流对喷管内壁的对流传热换热系数进行了数值仿真与研究,分析了网格雷诺数以及恒温壁壁温对喷管内壁对流换热系数的影响.当近壁面网格第一层法向高度为10-3 mm数量级时,仿真结果与工程估算公式的计算结果相吻合.同时,在一定范围内,对流换热系数随来流速...     

复合预冷吸气式火箭发动机热力循环分析

采用热力学第一定律分析法分析了复合预冷吸气式火箭发动机(SABRE)的基本热力过程,得出了吸气模式和火箭模式下的理想循环功和热效率表达式,确定了影响发动机理想热力循环性能的特征参数。结果表明:吸气模式下SABRE核心机采用布雷顿循环,压气机的增压比和循环增温比是影响理想热力循环性能的关键参数;火箭模式下SABRE采用火箭发动机循环,喷管降压比和出口排气速度是影响理想热力循环性能的关键参数。氦气仅仅在发动机内通过换热器换热实现能量在各循环子系统之间的输运,而其本身并无变化,不对发动机的理想循环功和热效率产生影响。     

飞行环境对火箭喷焰微波衰减特性的影响

本文采用一种近场和远场分区耦合、时间相关法和空间推进法相结合的方法计算分析了飞行环境对火箭喷焰微波衰减特性的影响。计算结果表明高空飞行时的喷焰温度低于地面环境下的喷焰温度。但是,由于市容工环境压力的降低使得喷焰的复合效应减弱导致自由电子数密度沿喷焰轴向衰减减慢,使得高空飞行时喷焰对微波的有效作用范围增大。由此可以推断实际飞行时喷焰的微波衰减比在地面环境时更为严重。     

固体火箭点火超压形成机理与影响因子研究

为研究固体火箭点火超压的形成机理和影响因子,以Ariane 5火箭固体助推器1/35缩比模型为研究对象,〖JP+1〗基于可压缩气体三维Navier-Stokes方程建立固体火箭尾焰流场的数学模型。同时,使用有限速率/涡耗散模型表征尾焰复燃反应,采用有限体积法求解火箭尾焰流场控制方程,得到箭体尾部近场的点火超压幅值与分布情况。与试验数据比较,数值结果较好的反映了点火超压的过程特性。进而,采用该数学模型和求解方法,研究了点火超压的影响因子。计算结果表明,尾焰复燃反应对点火超压的影响较小,与无复燃反应的计算结果比较,点火超压的峰值相对变化幅度不大于1.85%,点火超压的波形与分布特性的变化可以忽略;建压速率越快,点火超压峰值越大,且呈非线性比例关系增长;喷管膨胀比主要影响点火超压的波形,对其峰值影响较小。     

RBCC发动机火箭推力增益之探讨

为提高火箭基冲压组合循环(RBCC)发动机火箭冲压模态下火箭推力增益,基于模拟飞行Ma=4来流条件的数值计算结果,分析了火箭射流与冲压主流超/超剪切流动的特性,探讨了火箭推力增益的组成,并给出了提高火箭推力增益的措施:1)冲压流道、火箭工作参数的选取必须确保两股超声速剪切流之间的流动匹配,在有限空间内快速、低损的实现高能火箭射流与低能冲压主流间的动量及质量输运,最大限度地提高发动机喷管排气速度及压力;2)采用高室压火箭,通过增加推力室室压,提高火箭燃气膨胀程度,减小火箭推力增益损失。     

固体火箭发动机喷管及羽流流场的数值分析

采用FLUENT流动计算软件对某空射型导弹发动机的喷管及羽流流场进行了一体化的数值仿真研究,分析了导弹飞行高度和马赫数对喷管羽流流动的影响。仿真结果与地面热试车观察到的结果相吻合,可为固体火箭发动机的研究开发提供参考。