战术导弹固体发动机燃烧不稳定研究概述

介绍了大长径比战术导弹用固体发动机中产生的燃烧不稳定,分析了燃烧不稳定产生的机理,总结了国外典型的实验研究情况及其主要结论,以及国内固体发动机燃烧不稳定的状况。结合最新的研究进展,对燃烧不稳定的影响因素开展了深入分析:分析了声涡之间的耦合作用,重点讨论了声对涡的调制作用;分析了推进剂压强耦合对燃烧不稳定的影响,讨论了压强耦合响应函数的测试方法及其与推进剂配方之间的关系;分析了金属的分散燃烧及其凝相燃烧产物对燃烧不稳定的增益和阻尼作用。针对诸影响因素,提出了进一步的研究建议。     

基于声能共振仿真的固体发动机声不稳定趋势研究

防空导弹发动机采用了大装填、大长径比、高压强等设计以提高性能,在复杂飞行条件下不稳定燃烧问题时有发生,致使发动机压强及推力振荡,对导弹的制导和控制造成了消极影响。针对防空导弹发动机出现的轴向声不稳定现象,从声能共振仿真角度出发,对发动机燃烧室声腔进行声学响应分析,根据发动机结构特性评估出现声不稳定的趋势,从而指导防空导弹发动机的设计。通过仿真计算,得到大长径比、锥体构型及工作后期更易出现声不稳定现象,与某型发动机的不稳定燃烧问题一致。     

某型固体火箭发动机不稳定燃烧仿真分析与试验

针对某型大长径比固体火箭发动机研制过程中,发动机地面试验出现不稳定燃烧的现象,结合声腔频率分析方法和地面试验过程中增加脉冲触发,对其产生不稳定燃烧的频率范围进行了分析,通过优化发动机型腔结构改变发动机固有声腔频率,消除了不稳定燃烧现象,优化后的发动机通过地面试验增加脉冲触发进行验证。结果表明,所采用的声腔频率分析方法、优化改进措施及脉冲触发验证方法有效。     

复合推进剂低频燃烧不稳定性试验研究

小型无喷管火箭发动机的独特特性之一表现在瞬态燃烧能从稳态变化到低频整体不稳定方式。闭环反馈系统模型中有两个传递函数:燃烧速率的压力—耦合函数和发动机质量守恒的一阶滞后传递函数,根据反馈系统稳定图上的工作线可对这个现象进行理论解释。当把传统的压力—耦合响应函数应用于第一个函数时,发现经过一次简单燃烧试验就可确定响应函数的参数。试验中采用了四种不同的复合推进剂,其中推进剂的氧化剂颗粒大小分布各不相同。从燃烧试验得出的数据散布在稳定图上。响应函数的参数分散不会使表面反应的活化能保持为常数。如早期报道的那样,在复合推进剂中应用公式化响应函数的有效性值得怀疑。把L型燃烧器的方法应用到无喷管火箭发动机中,可以直接测量响应函数。已经表明,低频燃烧不稳定性中一维传热起主要作用,同时因复合推进剂结构不均匀引起的付效应也存在。由于振荡频率与中等大小氧化剂颗粒燃烧面移动引起的特征频率重叠在一起,付效应可归于复合推进剂结构的不均匀性。     

变推力发动机用高压强指数GAP推进剂的燃烧性能研究

为了获得变推力发动机用高压强指数聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂配方,采用靶线法研究了氧化剂的种类、粒径及配比、燃速催化剂的种类及含量、以及增塑比对GAP推进剂静态燃烧性能的影响规律,采用?118标准试验发动机对GAP推进剂进行了动态燃烧性能测试。研究表明,通过综合因素调节获得了一种高压强指数GAP推进剂配方,且当燃速催化剂RC-4含量1%时,GAP推进剂在1～15 MPa范围的动态压强指数高达0.66,满足变推力发动机对推进剂压强指数的要求,同时高压区间(9～15 MPa)的动态压强指数为0.51,低于1～15 MPa的压强指数,这有利于推进剂在高压范围内的稳定燃烧,为变推力发动机在高压范围内的正常工作提供依据。     

两种含铝复合推进剂压强耦合响应的实验对比

基于T型燃烧器双脉冲外部激励的方法,对2种含铝HTPB复合固体推进剂开展对比实验研究,分析比较其压强耦合响应特性的差异。在7 MPa条件下成功地开展了4次试验,获得了2种推进剂在T型燃烧器中的衰减常数和燃面增益常数。结果表明,由于推进剂配方中AP粒径分布存在差异,这2种推进剂的压强耦合响应常数存在差别。其中小粒径AP含量较多的推进剂更易产生不稳定燃烧现象。这一实验现象与发动机真实工作情况的表现是一致的。2种推进剂的凝相燃烧产物在发动机中的行为也表现出较大差异。     

固体推进剂速度耦合响应函数研究

实验研究评论了速度耦合响应函数确定固体火箭发动机稳定性一些现行方法的正确性。这些方法依据的基本假设是:速度耦合响应函数是一种推进剂性能,而与其在燃烧室内的位置无关。为了研究其适用性,专门研制了一种改型声阻管装置,其结构是管上游端安装“激发”推进剂,其下游侧壁要求位置上安装“试验”推进剂,管下游端安装声源,在管内激发出要求性能的驻波以模拟火箭发动机内的不稳定气流状态,实验目的是沿声阻管内不同驻波位置,安放“试验”推进剂,测出其速度耦合响应函数值,结果表明,速度耦合响应函数与声阻管内驻波位置密切相关,所以不能认为速度耦合响应函数是一种推进剂性能,因此需重新评价测定固体推进剂火箭发动机稳定性的现行方法。     

翼柱型药柱固体火箭发动机不稳定燃烧研究

列举了3种高装填、大长径比、翼柱型药柱、复合推进剂固体火箭发动机不稳定燃烧的现象,对其不稳定燃烧现象进行了频谱分析,将3种不稳定燃烧定位为中频、纵向声不稳定。分析认为,不稳定燃烧取决于发动机的设计固有频率及发动机燃烧室内部声能的各种增益和衰减之间的消长关系。抑制不稳定燃烧的有效途径是改变声腔的固有频率和减少声能增益、增大声能损耗。通过采取修改药柱结构以改变燃烧室声腔的固有频率和增大喷管阻尼的措施,使发生的不稳定现象得到了很好的抑制,可为同类发动机研制提供借鉴。     

飞行过载对固体火箭发动机不稳定燃烧的影响

针对某固体发动机飞行试验中出现的压强振荡现象,开展压强振荡特性分析、机理分析及声模态数值仿真,提出该非线性不稳定燃烧故障的两种可能的触发模式。通过建立脉冲激励试验方法及火箭橇过载模拟试验方法对故障发动机开展试验研究,并验证了导弹飞行过载是引起发动机不稳定燃烧的最主要原因。     

AP-CMDB推进剂燃速压强指数的变化分析与辨识

采用燃烧模型分析了AP-CMDB推进剂的燃速压强指数与推进剂配方组成和火箭发动机燃烧室压强之间的耦合关系．指出了该推进剂的燃速压强指数随AP颗粒和双基母体的燃速差而变化,对于确定配方组成的AP-CMDB推进剂,则该指数将主要随压强而变化,且近似呈对数关系。采用C-K法对特定配方进行了压强指数辨识,辨识结果能够较准确地预示脉冲推力器的内弹道性能。     

富燃料膏体推进剂在燃烧喷头流动中的流-固-热耦合数值模拟

膏体冲压发动机燃烧喷头内存在流动、换热及热传导,是一个典型的流-固-热耦合问题。文中针对燃烧喷头耦合问题进行了数值模拟,得到了不同挤压压强、不同推进剂初温条件下,燃烧喷头的温度分布和喷头孔内的推进剂流动参数。计算结果表明,燃烧喷头温度的热传导对推进剂流量会产生较大影响,而燃烧喷头温度场分布与挤压压强、推进剂温度关系不大,同时燃烧喷头具有特定的稳定工作时间。     

基于阶梯多根装药的固体火箭发动机内弹道设计方法研究

对于大长径比的固体火箭发动机,采用阶梯多根装药结构设计,可以增加推进剂的燃烧面积,提高发动机的做功效率.针对两段阶梯多根装药结构设计方案,总结出了固体火箭发动机内弹道设计方法;并以某工程项目为背景,完成了火箭发动机的结构设计及装药结构设计,给出了两段阶梯的装药结构、点火药装填方式以及燃烧室和喉部结构尺寸;进行了试验验证...     

降速剂对低燃速NEPE推进剂高压燃烧性能的影响

添加降速剂和调节RDX/AP含量是调节NEPE推进剂燃速的两种常用途径。采用水下声发射燃速测试仪、密闭燃烧器、BSF φ75 mm发动机等测试方法,研究了低燃速NEPE推进剂静态高压燃烧性能规律和发动机动态高压燃烧稳定性。研究发现,NEPE推进剂的中低压区燃速随着降速剂含量增大而显著降低,高压区燃速降低幅度相对较小,燃速-压强(r-p)曲线在15 MPa和45 MPa出现两个拐点,而且降低RDX含量对降低高压段燃速作用显著。BSF φ75 mm发动机试车结果表明,低RDX含量的C1配方(28%)最大工作压强不超过20 MPa,而高RDX含量(38%)的C4配方最大工作压强达到30 MPa。发动机稳定燃烧的最大压强随NEPE推进剂的燃速降低而下降,主要原因是低燃速推进剂铝粉燃烧效率降低使凝聚相燃烧产物含量和粒度增大。     

小长径比航天发动机的燃烧稳定性

根据线性稳定计算和发动机试验结果之间的差异(～100秒~(-1)),认为SSP(标准稳定预测)程序对不稳定的驱动的研究和阻尼的研究方法不适用于内孔长径比小、有周向槽和多头端的发动机。对SSP程序中的增益和损失机理的考察表明:(1)槽的流动拐弯损失处理得不合理,(2)气体档板的阻尼被忽略了,(3)在常规的R_(VC)=常数的范围内,T型燃烧器速度耦合的数据不能应用到小长径比的发动机里。因而从以上三方面对小长径比的航天发动机的计算进行了修正,从而改善了理论与试验的一致性。     

新型高燃速推进剂在固体发动机内燃烧特性研究

新型高燃速推进剂是一种采用小球粘结、无溶剂挤成型的复合改性双基推进剂,20℃、6.86MPa下用靶线法实测静态燃速为46.25mm/s。为研究这种新型高燃速推进剂在发动机内的燃烧特性,在不同燃通比和燃喉面积比的装药条件下,进行了发动机试验,获得了相应的压强-时间曲线。分析结果表明,该推进剂在火箭发动机内不同压强下可出现3种完全不同的燃烧类型,即类似于双基推进剂的平行层燃烧、类似于超高燃速推进剂的对流燃烧和有限对流燃烧,并给出了3种燃烧类型的判断条件。     

某低燃速推进剂侵蚀燃烧模型研究

推进剂的侵蚀燃烧对发动机的内弹道性能会产生不利影响,侵蚀燃烧的程度取决于药 型设计的通气参数。设计了一种侵蚀燃烧试验发动机,并在不同通气参数情况下,进行 了多发某低燃速推进剂侵蚀燃烧试验,通过对试验数据的数值分析,得到了该低燃速推进剂 侵蚀燃烧的临界流速、侵蚀常数与燃通比之间的关系,并对此进行了试验验证,为类似推进 剂药柱通气参数的选择提供参考。     

采用高金属粉丁羟推进剂消氢发动机低压点火燃烧特性研究

发展了一种采用新型高金属粉丁羟推进剂消氢发动机,该发动机可通过产生高温金属粒子流,消除以液氢为燃料的火箭发射前排出的低温氢气的危险。该发动机在小于0.2 MPa特低压下工作时,存在点火延迟、"喘振"不稳定燃烧和火焰无金属粒子流现象。分析了引起发动机点火延迟和"喘振"的原因;从理论上探讨了影响低压下发动机点火延迟的因素,得到换热系数影响最显著;通过引入高燃速引燃药和降低点火峰值压强,解决了发动机点火延迟和"喘振"的问题,发动机点火延迟时间由大于3 s降低到600 ms左右,发动机燃烧稳定;通过选用合适的金属粒子、推进剂配方燃温和长尾管结构,解决了金属粒子流发生问题,可稳定喷射出1141 K的高温金属粒子流,实现了消除火箭周围低温氢气的目的。     

HTPB推进剂高压燃烧特性研究(英文)

对HTPB三组元和四组元推进剂在2~20 MPa平均压强范围内的燃烧特性进行了实验研究。结果表明,三组元推进剂可在20 MPa以下稳定工作;压强一旦超过20 MPa,燃速压强指数将趋近于1,发动机将无法正常工作。四组元推进剂在2~20 MPa压强范围内的燃速压强指数实测在0.3左右,满足发动机使用要求。四组元推进剂稳定燃烧的最高压强临界值达到34 MPa。研究结果对超高压强固体发动机工程研制具有一定的指导意义。     

“固体火箭发动机燃烧不稳定”专栏导语

<正>固体火箭发动机燃烧不稳定是个传统问题，也是当前工业界和学术界面临的共同挑战。燃烧不稳定是推进剂非稳态燃烧、燃烧室内非稳态流动和结构声特性耦合作用的结果，飞行过载、用于姿态控制的直接作用力等外部因素也可能是触发燃烧不稳定的重要条件。目前，最常见的燃烧不稳定是飞行过程中偶发的，这类现象用燃烧稳定性的线性分析方法无法解释，还难以准确预示，对工程研制造成的影响更大。固体火箭发动机燃烧不稳定的研究涉及压强振荡信号的处理与分析、发动机结构振动、     

复合推进剂压强指数影响因素及调控方法

随着复合推进剂应用范围的不断拓宽,要求其燃速和压强指数在宽压强范围内具有可调性。固体推进剂的压强指数对发动机的稳定工作具有重要意义,近年来成为固体推进剂和发动机领域一大研究热点。文章综述了现有复合推进剂燃烧理论、压强指数的内涵和影响规律以及压强指数的具体调控手段,总结了调控机理,指出现有研究的局限性,并分析了未来的研究趋势。建议未来在以下几个方向开展系统深入的研究,包括进一步拓宽压强指数调节途径,提升调节效率;解决高压下压强指数失效,实现高压下可控燃烧;细化并量化各因素对压强指数的影响,为建立压强指数调控模型提供支撑;结合精细化实验手段探究调控压强指数的作用机理;完善复合推进剂燃烧模型,建立压强指数调控体系。