RBCC发动机纯火箭模态流场数值仿真研究

基于某火箭基组合循环(RBCC)发动机结构及气动参数开展了飞行高度30 km、飞行速度8 Ma时,发动机纯火箭模态三维流场数值仿真.对进气道、燃烧室、尾喷管、火箭发动机等组件流场结果进行分析,并计算了发动机总体推力.结果表明:纯火箭模态下,RBCC发动机进气道存在气流分离,喉部总压恢复系数约为0.34;燃烧室存在两股气流掺混,二级进出口总压损失约38.5％;二级燃烧室流场结构复杂,使得尾喷管入口截面气流参数分布不均,其总压畸变值为0.648;纯火箭模态下该RBCC发动机轴向推力约1 700 N.     

氨解离度对无水肼ATR发动机性能影响研究

基于无水肼ATR发动机,开展了氨解离度对涡轮前燃气及发动机总体性能的影响研究,对不同氨解离度时无水肼ATR发动机性能进行计算对比。结果显示,随着氨解离度x升高,无水肼分解燃气温度降低,H_2、N_2在分解混合气中的质量百分比升高,燃气比热比、气体常数数值升高;在地面状态同一转速下,x越小,发动机比冲越高。在100%物理转速时,x=0.29对应的发动机比冲最高且为808 s,无水肼流量为0.999 kg/s,较x=0.8发动机比冲提高最大约7.3%,无水肼流量减小约7.33%;同一高空条件100%转速下,x越小,发动机比冲越高。在22 km/3.5Ma条件下,x=0.29较x=0.8发动机比冲提高最大约14.6%,无水肼流量减小约8.2%。在同一ATR发动机、同一转速下,氨解离度越低,涡轮等熵功越大,无水肼流量越小,发动机比冲越高。     

裂解度对甲醇ATR发动机的性能影响分析

提出了一种基于甲醇裂解工作的ATR发动机方案,并对特定裂解气成分的甲醇ATR发动机性能进行计算,研究了裂解气中裂解度对发动机性能的影响规律。结果表明:随着发动机转速上升,推力逐渐上升,比冲先增加后减小,在90%转速百分比时,比冲最高;在同一转速下,甲醇裂解度越高,发动机比冲越大,在裂解度100%、转速百分比90%条件下,发动机比冲最高达到约793 s;随着裂解度逐渐升高,裂解气比热容逐渐升高。     

基于碳氢燃料裂解工作的ATR发动机性能分析

提出了一种基于碳氢燃料裂解气体驱动涡轮工作的ATR发动机方案,并对特定裂解气成分的碳氢ATR发动机性能进行计算,获得了裂解气中烷/烯比对发动机性能的影响规律。结果表明,在同一飞行条件下,随着发动机转速上升,推力逐渐上升,比冲基本呈减小趋势;在同一转速下,碳氢燃料裂解气中烷/烯比越大,发动机比冲越高。在烷/烯比4、转速百分比70%条件下,发动机比冲最高达到约7 644 m/s;随着烷/烯比逐渐升高,裂解气比热容逐渐升高。     

发动机喷流对飞行器底部流动影响数值模拟

针对发动机燃气喷流对底部流动的影响开展研究。建立冷喷与热喷计算方法,与经典的高压空气尾喷管喷流试验数据进行了对比,验证了本文建立的三维喷流方法的可靠性。对本文选用的飞行器外形采用冷喷与热喷方法开展了对比计算并与飞行试验值进行比较,分析了两种方法结果的差异。采用热喷方法对来流马赫数 2.5 ,不同飞行高度及喷管进口总压开展计算,研究飞行高度及喷管进口总压对发动机喷流及底部流场的影响。结果表明,保持飞行高度、来流马赫数不变,喷管进口总压增加,底部压力系数逐渐提高。燃气质量浓度最大值位于底部空腔的壁面处,且保持一个恒定值。保持喷管进口总压、来流马赫数不变,飞行高度增加,喷流高速区向后移动且中心区最大马赫数增加。在一定飞行高度下,底部压力系数由负转正,即飞行器底部会出现正推力,这对飞行器的射程会产生重要影响,需要提前评估。     

飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响

研究了飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响。通过求解三维可压缩Navier-Stokes方程计算了来流Ma=6,半锥角为7°的钝锥在飞行高度20~40 km条件下的基本流场,利用线性稳定性理论（LST）研究了飞行高度对钝锥边界层流动稳定性的影响,最后采用e N方法进行了转捩预测。研究发现,随着飞行高度的增加,流向不稳定N s值和横流不稳定N cf 值均减小,由横流不稳定性引起的圆锥表面大部分区域转捩逐渐转变为流向扰动引起迎风面转捩横流扰动引起背风面转捩,继而横流扰动消失,流向不稳定波引起迎风面转捩。     

PATR发动机发展历程简介及参数特性分析

介绍了PATR发动机的发展历程,总结了其创新优化思路。针对PATR热力循环方案进行了设计点输入参数影响分析,开展了弹道特性、高度特性和转速特性仿真计算,结果表明:热容比对于发动机性能影响最为显著,热容比k HX 2每增加1,比冲降低0.59,单位推力增加0.39;空气压气机和氦涡轮等熵效率、预冷器空气侧总压恢复系数对发动机性能也有明显影响,空气压气机等熵效率每增加1比冲增加0.12,单位推力增加0.12,其余参数对发动机性能影响相对较小;随着飞行马赫数增加,PATR发动机比冲呈下降趋势,单位推力在外涵开始工作时会产生跳跃式下降,之后基本保持不变;飞行高度增加会使发动机比冲增高,单位推力降低;转速降低会使发动机比冲和单位推力降低,并且内涵和外涵流路共同工作时的降幅明显小于内涵流路单独工作时的降幅。     

加力式空气涡轮火箭发动机特性研究

通过ATR发动机总体性能仿真,研究了加力式ATR发动机特性。将燃气发生器及补燃室的热力计算模块集成到压气机与涡轮的共同工作点非线性气动热力模型中,计算考虑了变比热容影响。仿真结果表明,注入加力推进剂可有效提高发动机比推力,但比冲会降低;加力ATR发动机性能与设计点参数、设计点有无加力及加力推进剂流率大小有关;发动机需精心匹配,以保证补燃室内二次燃烧的混合气组分有较高的焓值和合适的余氧系数,从而获得较高的发动机性能。在非设计点上,对于调节计划为相对转速不变的加力ATR发动机而言,在尾喷管喉部面积不变时,需同时调节涡轮燃气发生器和加力推进剂流量,发动机为双变量控制。     

固体火箭冲压发动机固定几何喷管设计问题(英文)

针对现有弹用固体火箭冲压发动机普遍采用的固定几何不可调节喷管,基于流量平衡的基本原理,建立了其理论设计及性能评估的数学模型。结合当前中远程空空导弹提出的Ma=2~3.5宽速度范围设计需求,运用所建立设计模型对实例设计方案开展了计算分析。结果表明,现有固定几何喷管本质上是为满足低速正常接力而折中设计出的,在高速巡航时,因扩张比偏小,不仅喷管出口气流速度和冲量小,而且导致燃烧室压强降低,还额外造成进气道结尾正激波总压损失加大,不能将进气道保有的捕获高速来流动能充分发挥出来。原设计方案在Ma=3.5高速巡航时,进气道实际总压恢复性能对比方案中的最大总压恢复性能水平,相对损失幅度高达42.67%,而且冲压发动机推力与其可能达到的最大值对比,相对损失幅度也高达31.8%。因此建议采用喷管调节技术来解决此类问题。     

二级火箭喷流对底部热环境影响的数值模拟

为研究二级火箭工作时对底部热环境的影响,在不同喷管固壁热辐射和飞行高度条件下,用Fluent软件自发动机喷管喉部处计算喷流流场和底部区域内给定平面的对流热流密度,并建立了三维反向蒙特卡罗（RMC）法模型,同时根据HITRAN数据库计算气体红外辐射特性,获得喷流对给定平面的辐射热流密度,两者相加即为喷流到达研究平面的总热流密度。结果表明：热辐射和热对流在底部产生的热效应趋势不同。     

超声速进气道流场三维数值模拟

超声速进气道是固体火箭冲压发动机至关重要的部件之一,直接影响燃烧室的燃烧及发动机性能。基于N-S方程、标准k-ε双方程湍流模型,利用FLUENT软件对某型固体火箭冲压发动机楔形超声速进气道内外流场进行了三维数值模拟。计算得到了超声速进气道在飞行马赫数为Ma=3.5的情况下的流场性能。并在相同马赫数下,研究了等比压缩和攻角条件下的进气道流场的分布情况。模拟结果表明：进气道的总压恢复系数和流量系数等性能指标受到攻角的影响而发生变化。     

临近空间再生燃料电池储能系统散热风扇性能

针对平流层飞艇再生燃料电池储能系统的风冷散热组件,采用Fluent计算散热风扇在设计飞行高度不同转速条件下的风压、流量、静压效率等性能参数。进而针对海拔0~20km高度的环境温度和压力变化,计算20kW散热能力条件下散热组件风量需求及其对应风扇转速、功耗等变化趋势。在此基础上,进行散热组件不同海拔高度环境下的性能试验,风扇模型计算结果和试验数据吻合较好。结果表明风冷散热组件能够满足再生燃料电池储能系统在包括起飞、高空驻留和降落在内的整个任务周期的散热要求。     

金属/水反应冲压发动机进水管路的工作特性

基于水与金属燃料反应的水冲压发动机是一种新型的水下动力装置。进水管路是金属/水反应冲压发动机的一个重要部件。为了研究进水管路的工作特性,在理论分析和一维设计的基础上,设计出某一工作状态下的进水管路结构参数,并进行了数值模拟。结果表明,管路中出现汽蚀现象;随着出口压强的增大,总压损失减小,流量系数减小;随着来流速度的增大,总压损失增大,流量系数先增大后减小;随着工作深度的增加,总压损失增大,流量系数增大。     

ATR/冲压组合动力高超声速飞行器性能分析

针对ATR/冲压并联组合动力的高超声速飞行器,按照典型弹道对其总体性能参数进行计算和分析。结果表明:ATR工作段飞行器的加速性能良好,尤其是在Ma2.0~3.5范围内。总航程随着推重比增加而迅速增加,而飞行时间差别很小,其中ATR工作阶段所占比例显著降低。总航程和飞行时间随着升阻比增加而显著增加,且影响最大的是冲压发动机工作的Ma6.0附近区域。上述研究从飞行器系统角度出发,进一步深化了对ATR发动机的认识。     

一种外并联式TBCC变几何进气道的设计

对一种Ma=0～7的二元外并联式TBCC变几何进气道设计开展了研究,给出了进气道总体设计思路、气动型面设计过程、变几何调节规律以及流场控制方案。初步数值仿真结果表明,该进气道满足预期的流量捕获需求,高速通道Ma=4和Ma=7时的喉道总压恢复系数分别为0.62和0.45,低速通道Ma=2.3和Ma=4时的喉道总压恢复系数分别为0.97和0.73;该变几何进气道在模态转换过程可以正常工作,没有明显的流动分离出现;由于侧板溢流,三维计算结果下的总压恢复系数与流量系数略低于二维计算结果。对三维外并联TBCC变几何进气道开展了涡轮通道扩压段设计及数值仿真研究,给出了三维模型的气动特性及涡轮通道的反压特性。     

空气涡轮火箭发动机热力循环特性分析

采用热力学第一定律分析法分析了液体推进剂空气涡轮火箭发动机(Air Turbo Rocket,ATR)的基本热力过程,通过能量平衡计算得出了理想循环功、热效率和发动机比冲,确定了影响理想热力循环性能的5个特征参数,进而分析了地面静态和飞行状态下热力学特征参数对发动机热力循环性能的影响规律。结果表明:提高燃烧室温比、发生器温比和涡轮落压比有利于ATR循环功和燃料比冲性能的提升,提高压气机压比将在增大循环功和热效率的同时降低燃料比冲性能;理想循环热效率随来流马赫数的增大而增大,循环功和燃料比冲随来流马赫数的增大而先增大后减小,存在极大值。     

空气涡轮火箭发动机起动过程推进剂供应及尾喷管面积变化规律研究

为了认识固体推进剂空气涡轮火箭发动机推进剂供应快慢和尾喷管面积变化对发动机起动过程产生的影响,采用容积法建立了考虑工质变比热及化学平衡的发动机动态模型,通过给定不同的推进剂供应速率、尾喷管喉部面积大小及尾喷管喉部面积随转速变化速率,模拟了发动机各工况下的起动过程,对比分析了这些参数对发动机起动时间、共同工作线位置的影响规律。研究发现,增加推进剂供应速率会使发动机起动时间降低,但压气机更接近喘振边界,当尾喷管喉部面积较小时,尾喷管会出现壅塞现象,导致压气机喘振。在此基础上,给出了采用较快推进剂供应速率和尾喷管喉部面积随转速升高而增大相结合的调节方法,使压气机在避免喘振的同时远离堵塞边界,实现了发动机的快速安全起动。     

火箭引射模态下主火箭总压与RBCC发动机的匹配性

基于传统的"等压面假设"理论,建立了RBCC发动机主火箭的引射性能分析模型,研究了主火箭总压与RBCC发动机的匹配性。研究结果表明,若隔离段通道面积比小于0.65,在主火箭总压较低条件下,隔离段内二次流容易达到壅塞,无法进一步提高空气流量;在地面静止状态下,随主火箭总压增加,空气流量逐步增大,等压面上形成Fabri壅塞后,进一步增加主火箭总压,反而会降低空气流量;在火箭引射模态下,RBCC发动机的工作状态可细分为引射作用占主导地位的进气道亚临界状态和临界状态、冲压作用占主导地位的进气道超临界状态,其分界马赫数分别约为0.7和1.5。     

固体燃料空气涡轮火箭发动机工作模式

根据SP-ATR目前存在的燃气难以兼顾清洁和富燃的问题,文章提出将原本由1股燃气单独承担驱动涡轮和补燃功能的工作模式分解为由2股燃气分别担负驱涡和补燃功能的工作模式。通过对比分析该工作模式的SP-ATR和固冲发动机、涡喷发动机工作特点,提出了适合该形式SP-ATR的性能计算模型,得到其飞行包线,发现该SP-ATR工作包线宽广,可完全包含涡喷和固冲发动机的工作包线。在此基础上,计算得到了SP-ATR在不同空域和速度条件下的飞行性能及变化规律:(1)随飞行高度和速度的增加,其比冲、比推力增加,但性能随外弹道变化幅度较小,整个工作范围性能稳定;(2)在近地面和低空SP-ATR均可实现低空亚音速盘旋和5 km高度以上的超音速飞行,且在比冲高于6 700 N.s/kg,同时保持比推力大于1 100 N.s/kg;(3)高空SP-ATR工作高度速度范围宽,比冲性能与冲压发动机相当,比推力为冲压发动机的2倍,相同飞行速度条件下飞行高度增加比冲增加、比推力增加,具有在更高高度巡航潜力,高空性能优势明显。     

支承总刚度对涡轮泵转子临界转速及稳定性旳影响

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了支承总刚度对临界转速及系统稳定性的影响研究.建立了涡轮泵转子非线性系统的动力学模型,在有安装偏心条件下分别研究了泵端和涡轮端支承总刚度变化对转子系统临界转速和稳定性的影响,给出了失稳转速随支承总刚度的变化规律,为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、诊断与维护提供理论依据.