固体发动机内弹道计算不确定性研究

建立了固体发动机一维混合内弹道计算模型,提出了提高内弹道预估精度的工程方法.采用系统辨识法建立燃速模型、计算药柱初温分布和预估药柱真实燃面,建立了内弹道性能散布分析方法.算例应用研究表明,燃速模型参数不确定性是影响发动机内弹道计算精度的主要因素,除燃速模型参数外,对总冲变化的显著影响因子依次是燃气比热容比、推力系数因子、特征速度因子和药柱密度,对工作时间变化的显著影响因子依次是特征速度因子、药柱初温和药柱密度.     

中心孔药柱中燃速的径向变化

大西洋研究公司提出了一种分析固体发动机药柱燃烧状况的计算机程序化方法,本法可直接计算局部燃速对已燃药厚的平均燃速的比。包括使用标准批检验发动机的某些特殊试验在内,对几种不同构形的中心孔药柱燃速比的药厚变化效应(“虹效应”)及数值进行了评估。分析表明这种燃速比的药厚效应是由制造方法引起的.实际上与尺寸、长径比、控制温度、燃速和药厚等发动机参数无关。提出了一种假说,认为此种药厚效应的起因与推进剂富粘合剂层的条痕结构有关,而条痕的形状又与制造方法及药柱构形有关。迄今积累的数据表明,对圆孔药柱而言,事先固定芯子的装药比先浇注后插入芯子的装药燃速约高3—4%。药柱上的各种槽沟往往限制了各点虹效应的精度确定,尽管在全部的构形中均可看到总的虹效应,且最大与最小值的差一般均在3—6%范围内变动。本文给出了各种发动机的燃速比数据,其推进剂重量从10磅左右至2000磅,长径比1:1至8:1,药厚从小于1英寸到大于7英寸,药形有槽管状、锥柱状、一端和两端的圆柱状。     

嵌长金属丝药柱燃速测试方法研究

通过对现行多种嵌金属丝药柱燃速测试方法的分析比较,提出了一种新型的嵌金属丝燃速测试方法即标准发动机法。该方法以标准发动机模拟全尺寸发动机嵌金属丝药柱工作工况,用测得的燃速表征全尺寸发动机嵌金属丝药柱的动态燃速。它利用标准发动机在规定工况下的压强-时间曲线,确定嵌金属丝药柱有效长度燃尽所需时间,算得该压强下的燃速。标准发动机法测试精度较高,燃速测试范围较宽,且无特殊设备要求,适合发动机研制单位使用。     

H_2O_2/HTPB缩比固液火箭发动机药柱燃速试验研究

对采用90%H2O2/HTPB基推进剂组合的缩比固液火箭发动机开展了药柱燃速试验研究,得到了不同点火方式和不同氧化剂流率下的药柱燃速。试验结果表明,在相同的氧化剂流率下,催化点火方式比点火药点火方式药柱燃速要高,燃烧室压力更为平稳,同时建压时间要长。根据点火药点火方式下不同氧化剂流率的药柱燃速拟合得到了燃速公式,并运用燃速公式对300 mm全尺寸发动机进行了装药设计及内弹道性能计算,得到的理论性能曲线与试验结果吻合很好,验证了本文采用的燃速研究方法及结果。     

AP的聚集对CTPB推进剂端燃药柱边界效应的影响

为考察AP的聚集对端燃药柱燃烧边界效应的影响,以CTPB推进剂端燃药柱为研究对象,从药柱剖切面的中心到边界进行等距取样,分别采用GJB 770B—2005和SEM-EDS测试了不同部位试样的燃速和Cl元素含量(代表AP含量)。结果表明,在药柱剖切面上,燃速由中心向边界逐渐增加,呈现出典型的燃速边界效应;同样,AP含量也由中心向边界逐渐增加,表明燃速边界效应是由AP含量分布不均造成的。浇注方式对端燃药柱燃速边界效应具有明显影响,采用全燃面浇注方式可以消除药浆浇注过程中侧向流动导致的AP含量分布不均的现象,从而弱化燃速边界效应,有助于提高端燃药柱的燃烧稳定性。     

多孔药柱燃气发生器的燃速变化和重现性

研完了多孔药柱燃气发生器的燃速变化特性。对几种装药量为0.5～150kg、有19～235个平行圆孔的药柱的设计进行了评价。主要讨论了多孔药柱与通常的中孔内部燃烧药柱燃速变化曲线的形状和大小的差别,不同的多孔药柱之间的差别,这些效应与弹道预测的关系,多孔药柱的压力一时间曲线重现性分析。分析采用了燃速和燃面的点火前及点火后的弹道性能评估,也考虑了侵蚀燃烧、侵蚀和沉积引起的喉面变化及特性速度变化的影响。从多孔药柱燃气发生器的点火后分析,推导出多孔药柱一般燃速变化曲线,使性能预测精度提高达3%。多孔药柱燃气发生器的性能重现性很好。高燃速发生器最大压力偏差小于3%,低燃速发生器最大压力偏差小于5%。     

电场效应提高固体推进剂的燃速

本发明阐述了一种提高含有金属丝和/或金属片等的固体推进剂燃速的方法.将推进剂药柱与二个电极相连,通上直流电后,由于产生电场效应而提高了该推进剂的燃速.本方法对含有在靠近发动机壁和芯棒表面处呈定向排列的金属丝和/或金属片等的推进剂燃速的不均匀性提供了一种补偿方法.     

嵌金属丝端燃药柱固体发动机水下点火数值模拟研究

为探讨降低固体火箭发动机水下点火初期推力峰值的方法,通过对燃气采用常微分控制方程、对嵌金属丝采用一维传热方程、对端燃药柱采用二维轴对称传热方程、对燃气泡采用球形气泡模型,就嵌金属丝端燃药柱发动机水下点火的工作过程进行了数值模拟研究。算例结果显示,发动机水下点火初期的推力峰值小于稳定工作推力,初始燃面积对推力峰值影响较大,发动机达到稳定工作推力所需时间随药柱直径的减小而迅速减小,发射深度的变化对推力达到稳定状态所需时间影响很小。     

关于燃速相关性问题

燃速是影响固体发动机工作压强诸参数中最活跃的因素，需要在推进剂药柱制造过程中严格加以控制。重点讨论了燃速仪燃速rs、小型试验发动机燃速r127和全尺寸发动机燃速rm之间关系，给出了rm／rs、rm／r127比值与燃速仪燃速rs的相关关系，可以作为预估燃速时参考。     

通过一台发动机点火试验获得推进剂的燃速特性—一种分析方法

本文提出了表征固体推进剂燃速的一种分析方法。它不同于传统的燃速处理方法,用一台发动机点火即可表征推进剂在一定压力范围下的燃速。该方法将修改的弹道试验发动机和一个计算机分析程序包结合起来完成这一任务。本文详细地叙述了所采用的发动机,其药柱通道为锥形,以产生非等面燃烧压力——时间曲线。此外,讨论了计算机分析程序包。这一分析程序包采用一个内弹道模型,用优化方法确定燃速规律。这一分析方法已由一整套理论研究所证实,并提出了这些研究的某些结果。此外,本方法对复合和双基两种推进剂都进行了试验验证。这些试验结果表明,由单个试验发动机点火试验处理的燃速数据和常规方法处理的数据符合较好。本文也给出了这些研究的某些结果。     

前台阶内型面对固体燃料冲压发动机燃烧性能的影响

为研究不同内型面对固体燃料冲压发动机燃烧性能的影响,以聚乙烯(PE)为固体燃料,设计了前台阶内型面结构,采用数值仿真与地面直连式实验相结合的方法,分析了不同药柱台阶高度对燃料平均燃速和当地燃速的影响,得到了补燃室压强随时间的变化规律。研究结果表明,固体燃料台阶高度越高,平均燃速越大;在台阶前段,当地燃速较小,随着轴向位置的推移,当地燃速逐渐增大,在台阶处达到最大值,台阶之后,当地燃速逐渐减小;靠近台阶处,台阶高度越高,燃烧室内化学反应越充分。     

固体火箭发动机装药燃面计算方法

通过引入残值函数记录燃面位置,在笛卡尔离散网格上运用惠更斯原理进行燃面显式推移,实现了固体火箭发动机三维复杂药柱的燃面推移模拟和燃面计算功能;采用此算法分别对具有复杂几何构型的药柱和由不同燃速特性的推进剂构成的药柱进行燃面推移模拟。结果表明,此算法精度高、稳定性好,可准确捕捉燃面交汇、分离、消失等复杂拓扑结构变化,适用于复杂装药的燃面计算。     

嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响

为了获得嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响,开展了药柱不同沸腾高度及典型脱粘对发动机推力变化计算。分析结果表明,在嵌金属丝情况下,沸腾高度影响着二级推进剂参与燃烧的时刻及过渡段内弹道性能变化。包覆层与药柱出现脱粘时发动机推力会出现异常,通过对试验数据进行反算验证,认为脱粘是导致推力突变的主要原因。该分析能为同类型发动机设计提供一定参考。     

推进剂铝粉含量对固体发动机温度敏感系数的影响

用一种多分散的含铝固体推进剂的燃烧模型来确定具有单峰氧化剂分布的AP/Al/HTPB 推进剂的发动机温度敏感系数.铝粉含量在(0～20)%(质量百分比)之间变化,推进剂燃面与喷管喉面之比为250～500.结果表明,推进剂铝粉含量对发动机温度敏感系数的影响与发动机的燃喉面积比 K_H 有关.通常,增加燃喉面积比,发动机温度敏感系增至某一最大值,然后随发动机燃喉面积比的增加而减小.燃速系数和压强指数随初温和铝粉含量的变化,对发动机温度敏感系数有明显影响。而特征速度对温度敏感系数影响不大,但常常是增加的。     

棒状推进剂的侵蚀燃烧模型及其测定方法

大弹径的无缝单孔棒状推进剂的侵蚀燃烧效应,对其内弹道性能有显著的影响。为研究其侵蚀燃烧现象,提出了一种着重强调湍流与燃烧相互作用的易行模型。实验台上用的是一种设计成大肉厚的(约1.0cm)、中孔圆筒形药柱。药柱燃面的瞬时位置,用实时X射线照相术来测定。X射线照片表明,在强横向流作用下,实测的NOSOL—363棒状推进剂的瞬时燃速,明显地高于它的线燃速(4—32倍)。证明了这种测试方法的有效性。     

单室双推力固体发动机静止试验分析方法

提出了一种根据静止试验压强，推力一时间曲线分析串装药柱单室双推力固体发动机性能的方法，用以计算其在助推段与续航段的特征速度Ｃ，比冲Ｉ，燃去药柱质量ｍ，和推进剂燃速ｒ等参数。此方法比实例验证可行，从而为完善这类发动机的性能分析提供了依据。     

加速度对于含金属固体推进剂燃速影响的参数研究

本文叙述了9种含金属端羟基聚丁二烯复合固体推进剂,在发动机加速度场中工作时,引起燃速增加的实验研究。实验装置包括一台离心机,以及分别装在旋转臂两端的两台相同药柱的试验发动机。实验在2.5—16MPa的压力范围内和0—700g的加速度范围内进行。研究了加速度、燃烧压力、加速度矢量方向、稳态燃速、铝粉含量和粒度、固体总含量、氧化剂粒度等参数的影响。研究发现燃速的增加受到加速度水平、稳态燃速、加速度矢量和表面垂线间的夹角、氧化剂粒度等参数的强烈影响;铝粉含量和粒度的影响则没有规律性。对于所试验的各推进剂,研究确定了加速度所致燃速增加率与简化加速度参数间的线性关系。该关系与Crowe提出的关系相同,但是注意到有某些偏差,表明Crowe的模型需要修正。     

药柱的燃速弧线特征

存放多年的双基推进剂药柱,经实验发现,在肉厚方向有一种称为“燃速弧线”的特征,也称为“虹效应”,爆热也有此特征,它会引起固体火箭发动机压强曲线和推力曲线的变异,从而对导弹的战术性能发生影响。     

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).     

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。