液氧-甲烷(丙烷)火箭燃料的结焦和积碳特性

报道美国近几年来对液氧-甲烷(丙烷)火箭燃料结焦和积碳特性研究的初步成果.较详细地介绍了电热管结焦试验和燃气发生器积碳试验所用的模拟装置、实验方法以及取得的研究结果.指出了解决甲烷和丙烷燃料高温结焦的方法以及消除液氧-甲烷(丙烷)富燃推进剂燃烧产物积碳的技术途径.提出了今后需要着重研究的课题.     

液氧/甲烷高压补燃火箭燃烧室研究

采用一台小型推力室对液氧/甲烷推进剂的高压补燃火箭燃烧室进行了实验评估,富燃预燃室和主燃室均单独进行了试验.预燃室/主燃室装置的试验条件是:主燃室压力7—9.6MPa,混合比3.1—3.7.预燃的燃气温度760—1070K,推力范围4.6—6.4kN.试验评估了在使用不同类型的主喷注器和预燃室喷注器时,预燃室和主燃室的燃烧性能、主燃室内的热通量分布以及室壁和喷嘴表面的积碳特性.此外,还推导了表征主燃室燃烧效率的经验公式.实验装置的任何部位均未出现严重的积碳,也未检测到由于室壁的积碳而引起热通量的明显减小.     

烃类燃料的冷却性、结焦特性和积碳效应

讨论作为液体火箭推力室再生冷却剂的烃类燃料的冷却性、结焦特性和积碳效应,概述近期国内外有关试验情况.燃料的冷却性由其自身的物理性质(比热、导热系数、粘度)所决定,反映燃料传热性能的好坏.烃类燃料作为冷却剂具有在冷却通道壁面产生结焦的倾向,这是推力空冷却设计需要考虑的一个问题.液氧/烃推进剂燃烧生成的积碳,对高温燃气向推力宣壁传热起隔热作用,能有效地降低推力室热流、壁温和冷却液温升,提高冷却余度.     

液氧/甲烷液体火箭发动机燃烧研究最新进展

近来,俄罗斯和欧洲正在联合进行一个名为“VOLGA“的研究计划.其主要目标是用于可重复使用运载火箭或大型助推器的液氧/甲烷发动机的概念研究.SNECMA的主要工作是研究预燃室/燃气发生器的可重复使用技术,在液氧/液氢“火神“燃气发生器研制过程中,获得了很多低温推进剂的燃烧经验,但液氧/甲烷富燃燃烧带来了许多新的问题:如喷注性能、燃烧效率、稳定性、积碳形成等.为了解决上述问题,目前正在进行实验和理论两方面的研究.ONERA的马斯喀特(Ma scotte)试验装置就被改造用于研究甲烷的燃烧.最初的研究完成了对低混合比和压力范围在0.1MPa到6.0MPa下的液甲烷和气甲烷同轴喷注技术的评估.各项研究在继续进行,以求对液氧/甲烷低温燃烧问题进行完整的描述和理解.除了上述研究外,还在进行计算流体力学数值模拟工具的更新工作,但是只有一些非常特殊的工况点才需要进行修改工作,这是因为过去的火箭发动机燃烧研究工作已经对液氧/液氢低温燃烧特性有了深入的理解,有很多研究成果可用于液氧/甲烷燃烧研究.目前的主要问题集中在甲烷的高频燃烧稳定性和燃烧化学效应方面.在一个称为INCA的新的燃烧研究计划框架内将对这些问题进行研究.     

液氧/甲烷燃气发生器试验研究

为了研究液氧/甲烷的点火和燃烧特性,进行了液氧/甲烷燃气发生器热试验研究。介绍了液氧/甲烷燃气发生器热试验的试验装置、试验方案和试验情况,分析了试验结果。试验结果表明燃气发生器设计方案和点火方案可行,点火品质较好,能够在较宽的工作条件下稳定工作,燃烧组织合理,燃烧品质良好,温度均匀性较好,积碳轻微。     

液氧／丙烷燃气发生器试验研究

介绍液氧/丙烷为工质的燃气发生器试验研究的方案和结果.着重讨论该燃气发生器在压低混合比条件下点火、起动、积炭及性能等问题.试验证明,液氧/丙烷燃气发生器在较宽的混合比范围内能稳定地工作,积炭轻微.通过试验掌握了液氧/丙烷推进剂点火、起动技术,并获得了性能数据.为新型发动机的论证提供了依据.     

气氢/液氧同轴喷注器变工况燃烧流场相似性

为研究不同室压工况下气氢/液氧燃烧流场的相似性,设计了喷注器试验件,并采用数值仿真和热试验的方法对气氢/液氧喷注器的喷雾燃烧流场进行了研究。数值仿真选取试验件的1/6进行三维稳态计算,其中湍流模型采用SST k-ω模型、化学反应采用考虑氢氧6组分9步反应机理的涡耗散概念模型、液氧液滴采用离散相模型,共进行了2.8～9.8 MPa范围内8种典型工况的数值仿真。热试验采用气氢/液氧推进剂,进行了4.5 MPa、5.4 MPa和6.8 MPa这3种不同室压工况共4次挤压热试验,采用量热式水冷身部对燃烧室壁面热流进行了测量。仿真和试验结果表明：对于气氢/液氧同轴直流喷注器,在混合比、氢氧温度和喷注速度相同的情况下,当室压大于液氧临界压力时的燃烧流场具有相似性;而室压小于液氧临界压力时的燃烧流场与大于临界压力的燃烧流场结构存在差异。     

气氧/气甲烷火炬式电点火器燃烧仿真与热试

火炬式电点火是可重复使用液氧甲烷发动机较为可行的点火方式之一。针对气氧/气甲烷火炬式电点火器开展了燃烧流场仿真和点火试验研究。燃烧仿真结果表明,在混合比接近当量混合比时,仿真结果与理论计算结果吻合较好,混合比富燃程度较高时,两者的偏差显著增大。另外,随着混合比的增大,火花塞所处的热环境逐渐恶化,加大了火花塞被烧蚀的风险...     

氧化亚氮/乙烯推进剂预混燃烧特性试验研究

氧化亚氮基单元复合推进剂是一种新型、高能、无毒的单组元推进剂,具有广阔的应用前景。开展了氧化亚氮/乙烯推进剂在室压0. 7 MPa和1. 0 MPa条件下、混合比6. 2～10. 6范围内的预混燃烧特性试验,获得了混合比、燃烧室特征长度等对特征速度和燃烧效率的影响规律。试验结果表明:当量孔径为65μm、厚度为5 mm的不锈钢多孔材料具有良好的防回火效果,所有试验工况均未发生燃烧室回火现象; N_2O/C_2H_4推进剂的理论特征速度和试验特征速度均随着混合比的增大而减小,最高燃烧效率达到了95. 0%;随着燃烧室特征长度的不断增大,燃烧效率先增大后减小,对所试验的特定喷注器结构的铜热沉模型燃烧室来说,最佳的燃烧室特征长度在1. 675 m左右。     

单个轴对称切向喷注单元的燃烧不稳定性试验

本文给出了由单个切向喷注单元和圆柱形室组成的燃烧室内液氧和气氢的燃烧稳定性特征。燃烧室的结构及产生的纵向不稳定性都是轴对称的。用氢的喷射温度和火药脉冲确定稳定性边界。混合比、燃料环间隙、液氧柱结构都可调整。文中还给出了室压为2.07MPa和6.89MPa时的性能及稳定性数据。     

铅化合物在双基推进剂燃烧过程的作用机理

本文提出了铅化合物催化双基推进剂燃烧的反应历程。充分说明这类化合物是最终通过提高燃烧表面处嘶嘶区温度梯度提高燃速的。本文还提出了“铅化合物有通过增加燃烧表面上碳质物量增加燃速的一面,还有通过减少碳质物抑制燃速增加的一面”这一新的论点及抑制碳质物增加的反应并阐明了压力对这种抑制能力的影响。最后根据本文提出的作用机理及传热原理圆满解释了超速、平平和/或麦撒效应。     

液氧／烃的燃烧和冷却技术综述

介绍了高热流、高压电热管导出的对流冷却关系和结焦极限,讨论了推力空冷却套材料与烃类燃料相容性的实验结果.对氧/烂燃烧技术与氧/氢燃烧技术进行了比较.讨论了将这些技术应用于未来氧/烃助推发动机的途径,包括氢冷的三组元循环、高效稳定燃烧的喷射技术以及用作燃烧稳定装置的声衬.     

液氧／甲烷气液喷注器试验研究

介绍了液氧／甲烷气液喷注器热试验情况,试验燃烧室压力7．1～7．4MPa,混合比3．5～3．9。研究了不同的喷嘴结构参数对燃烧性能和流量特性的影响。获得了燃烧效率、流量系数、振动、点火性能以及积炭特性等重要参数。     

GAP推进剂的燃烧

为了解高能叠氮聚合物的燃烧速率机理,对GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂的燃烧和分解过程作了研究.GAP推进剂的特点是在分子结构中附有-N_3官能团,燃烧试验结果表明:即使单位质量GAP推进剂所含的能量相对较低,GAP推进剂的燃速也较高;而且其燃速很大程度上依赖于初始温度和GAP推进剂中的混合浓度.AGP推进剂的燃速随着单位质量的GAP推进剂中-N_3官能团浓度的增加而增加.从GAP燃烧火焰结构的热分布试验和热化学试验中可发现,燃烧表面放出的热量比由热气流反馈到燃烧表面的热量大得多,GAP的初始分解是由-GH_2-N=N_2分子结构中键断裂生成-C≡N N_2引起的.该分解反应具有高达685kJ/mol的放出热,由此可得,所观察到的高燃速是由燃烧表面的热分解反应引起的.     

双喷管发动机

双喷管发动机象双喉部、双膨胀发动机一样,在先进的天地运输系统中得到验证。改进的航天飞机和全新火箭亦得益于这些先进的发动机。本文将对单燃料、双燃料以及双喷管发动机在设计方面所取得的进展作一总结。双喷管发动机的推进剂为:液氧/煤油/液氢、液氧/液丙烷/液氢、液氧/液甲烷/液氢、液氧/液氢/液氢、液氧/液甲烷/液甲烷、液氧/液丙烷/丙烷以及四氧化二氮/一甲基肼/液氢,发动机推力为889.6～2980.3kN。     

RP-1/GO_2/GH_2三组元推进剂的燃烧性能

本文采用试验方法评估了火箭发动机燃烧室内 RP—1/GO_2燃烧时喷入气氢所产生的燃烧性能和稳定性。三组元、涡流同轴式单喷注单元安装在25.4mm 的六角形横截面的散热燃烧室内。模块化的喷注器能够控制动量比及随后的推进剂雾化和混合。在不同的混合比、喷射速度和室压下,完成了84次试验,其中部分试验加入了总燃料质量的10%的氢。记录了燃烧性能(C)、燃烧效率(ηc)和高频动态室压。在 RP—/O_2燃烧场中喷入10%的氢可以提高效率、改善稳定性并降低固态碳,火箭燃烧室热点火试验结果表明,在类似的工况下燃烧效率平均从92%增加到97%,燃烧室内的高频压力测量指出声学强度显著下降,总声学功率降低了9倍,在燃烧室一阶纵向频率处平均功率谱密度(PSD)从1.10降至0.15(psi—rms~2/Hz)。除了这些结果以外,加入氢后,积累在室壁上和排气羽流中的固态碳大大减少。这些结果与喷注器类型、氢的喷注位置和喷注动量的关系表明,加入氢将使 RP—/O_2的喷注动力学过程发生变化。     

AP粒度和包覆层对硼燃烧的影响

通过对AP和硼及其混合物进行热分析实验,研究了硼在AP分解过程中参与反应的程度;用氧弹式量热计测试含硼富燃料推进剂的爆热,分析硼在推进剂燃烧过程中的放热。结果表明,对各组分含量相同的含硼富燃料推进剂用AP包覆硼粒子和提高超细AP含量可促使硼在AP分解过程中参与反应,使AP／B(1：1)热分解的放热量增加,提高推进剂的爆热,有利于推进剂中硼的燃烧。     

RDX/AMMO-BAMO推进剂燃烧模型

以详细的气相基元反应机理为基础,建立了RDX和RDX/AMMO-BAMO(80∶20)推进剂的一维、稳态燃烧模型.计算了0.1～10 MPa压强下RDX和RDX/AMMO-BAMO推进剂的燃速、燃烧波结构、气相热反馈等燃烧特性参数.预估的燃速值与实验值吻合得很好,相对误差都在10%以内.计算结果显示,20%AMMO-BAMO共聚物的加入,降低了RDX推进剂的燃速,降低幅度约为42%.     

奥克托金(HMX)的燃烧机理

为了查明控制奥克托金(HMX)燃烧速度的因素,本文对其燃烧机理进行了实验探讨,实验结果表明,HMX的燃烧速度随着压力的增加而直线增加(以对数坐标表示),其燃烧压力指数为0.66,HMX的亮焰与燃烧表面保持一定距离,随着压力的增加而逐渐接近燃烧麦面。在气相呈现双分子反应,从气相向燃烧表面的热反馈虽然随着压力的增加而增加,但是,当HMX燃烧表面的反应热达到300kJ/kg时,则大体上与压力无关,HMX的燃烧速度依赖于从气相向燃烧表面的热反馈和燃烧表面的反应热。     

气氢/液氧同轴喷注单元细节对燃烧特性的影响

为了研究气氢/液氧同轴直流式喷嘴的结构参数细节对燃烧特性的影响,对单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟.重点研究了氧喷嘴缩进深度、氧喷嘴出口壁厚和氢氧喷注速度比3个参数对燃烧效率和稳定性的影响规律.研究表明：上述喷嘴结构参数细节是影响气氢/液氧同轴直流式喷嘴燃烧特性的重要因素,其中适当提高氧喷嘴缩进深度或氢氧喷注速度比对燃烧效率有显著改善,而适当提高氧喷嘴出口壁厚对燃烧稳定性有显著改善.