固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题，设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机，开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明：掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象，为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置，将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率，本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。     

含硼富燃料推进剂燃烧热测试装置的改进

参照GJB770A-97燃烧热测试方法,采用GR3500型氧弹式热量计,实验研究了含硼贫氧推进剂燃烧热测试中存在的问题,数值模拟了氧弹中的温度分布。结果表明:含硼贫氧推进剂燃烧热测试必须解决两个主要问题:①含硼贫氧推进剂燃温高,易造成氧弹部件的烧蚀;②含硼富燃料推进剂燃烧热测试过程中,硼等难燃组分存在不完全燃烧现象。给出了解决上述问题的可行方案,实验后,氧弹部件无烧蚀;燃烧产物的分析表明,含硼贫氧推进剂在改进的氧弹式热量计中能得以完全燃烧。测试结果平行误差为1.992%。     

等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析

为研究等离子体助燃条件下含硼燃气在补燃室的二次燃烧特性,建立了排除来流空气掺混效应的扩散燃烧实验模型。利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室的火焰照片,得到了有无等离子体条件下的燃烧火焰形貌;测量了补燃室不同截面的静压和总压,分析了有无等离子体条件下含硼推进剂在固冲发动机中的燃烧效率。实验结果表明：在含硼燃气二次燃烧过程中加入等离子体炬,等离子体炬后方区域火焰更加明亮,硼燃烧更加充分;断开等离子体炬后,补燃室静压和总压出现压力突降台阶,说明加入等离子体后可以加快化学反应速率,提高含硼燃气在固冲发动机中的燃烧效率,从而提高了补燃室的压强;且放电功率越高,含硼燃气在固冲发动机中燃烧效率的增长率越高。     

含硼推进剂固冲发动机补燃室响应面优化设计

影响含硼推进剂固体火箭冲压发动机补燃室燃烧效率的因素很多,且各因素对燃烧效率的影响很难用精确的解析函数式来表示.首先建立了发动机补燃室内两相湍流燃烧数值模拟模型,然后提出了选用基于正交多项式的响应面方法来解决含硼推进剂固体火箭冲压发动机补燃室结构优化问题.这种方法可以减少为得到近似函数式而对补燃室流场进行计算的次数,能比较方便地对固体火箭冲压发动机补燃室各个参数进行优化与分析.      

固体火箭燃气超燃冲压发动机燃烧组织技术研究

为了研究一次火箭室压、一次燃烧产物组分、不同燃烧室构型对于固体火箭燃气超燃冲压发动机性能的影响,采用全流道一体化数值模拟的计算方法,研究了纯气相一次燃烧产物的火箭室压、不同碳颗粒比例的一次燃烧产物、40%的碳颗粒含量的一次燃烧组分下分流道以及波瓣结构两种混合增强方式三种因素对于中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机补燃室流动燃烧以及发动机性能的影响。结果表明:一次火箭室压增大的同时,由于一次火箭喷管面积比相应地随之增大,一次火箭喷管出口射流的平均压强并未增加,避免了壅塞现象的产生,同时随着一次火箭室压的增加,发动机的推力以及比冲均呈上升趋势;碳颗粒的含量越少,发动机的性能越高,发动机的性能对于推进剂的要求较高;两种混合增强方式对于补燃效率的提高意义明显,合理设计混合增强装置有助于发动机性能的提高。     

含硼富燃料推进剂凝相反应对低压燃烧的影响

用差示扫描量热(DSC)和热重分析法(TGA),分析、研究了含硼富燃料推进剂的热分解特性;并测量了推进剂的爆热和燃速,比较了AP包覆硼粒子对推进剂燃烧性能的影响。实验结果表明:含硼富燃料推进剂各组分含量相同时,在硼粒子表面包覆AP提高了推进剂的爆热,其中凝相放热量增加,气相放热量减少;而推进剂的低压燃速提高了。分析表明促进凝相反应有利于含硼富燃料推进剂低压燃速的提高。     

固体火箭超燃冲压发动机性能试验

为了研究发动机构型、推进剂类型和当量比对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响,选取了3种固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型,分别使用碳氢推进剂和含硼质量分数35%推进剂共计开展了8次地面直连试验。试验模拟了23 km、马赫数5.5的飞行工况,通过测量推力、流量和压力等参数,得出了超声速燃烧室和发动机的整体性能参数,进而研究了发动机构型、推进剂类型以及当量比3个关键因素对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响。结果表明：带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型虽然冷流内阻最大,但试验燃烧效率和比冲性能最优。针对带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型,使用碳氢推进剂的发动机性能整体优于使用含硼质量分数35%推进剂对应的性能参数;使用碳氢推进剂的极限掺混当量比大于0.7,而使用含硼质量分数35%推进剂的极限掺混当量比在0.65附近。这是由于相对碳颗粒,硼颗粒在超声速气流中燃烧组织更为困难导致的。相对于使用碳氢推进剂,使用含硼质量分数35%推进剂的一次燃烧产物更容易在喉部沉积,其燃气发生器压力曲线也存在更多峰值振荡的现象。在所研究的试验当量比范围内,使用碳氢推进剂的燃烧效率峰值约0.82,此时对应内推力比冲峰值约6...     

进气道位置对含硼推进剂固体火箭冲压发动机性能的影响

为了提高含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒的燃烧效率,采用颗粒轨道模型进行了补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补然室内简单反应流模型,并在该模型下研究了进气道的位置对非壅塞固体火箭冲压发动机燃烧效率的影响,在此基础上进行直连式试验研究。结果表明:随着前后进气道之间轴向距离增加,燃烧效率先增加后减小,并且试验重复性比较好;前进气道后置长度增加,燃烧效率减小。     

含硼贫氧燃气补燃室反应流场研究

以King模型模化硼粒子燃烧,以几率密度模型模化湍流燃烧,对含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室流场进行数值研究,并与试验结果进行了对比。计算表明:环向燃料喷口布局可增加贫氧燃气气相组分与空气的混合、反应效率;突扩形的几何结构有利于燃气产生大涡运动。     

等离子体助燃含硼富燃燃气燃烧实验研究

等离子体能够有效地改善燃料的燃烧速率,缩短点火时间,改变火焰稳定性,被认为是最高效的辅助点火方法。为了验证等离子体对含硼富燃燃气燃烧的增强特性,利用一套带透明窗的燃烧实验装置开展了多次实验研究。实验结果表明,在补燃室环境中加入等离子体可使富燃燃气点火位置靠前,燃烧火焰面变大,高温反应区前移,从而改善了硼粒子的燃烧环境;通过计算对比有/无等离子工况下的补燃室二次燃烧效率,表明加入等离子后可使得补燃室二次燃烧效率提高5%以上,且随着放电功率的增加,等离子体助燃效果也显著增加,补燃室中增加的燃烧热与等离子体放电功率比值大约在7左右。     

影响Al2O3凝相尺寸分布的因素

用激光全息装置测量含铝复合推进剂燃烧场凝聚相的分布，分辨率为5μm。分析了滞留时间、铝粉含量（2％－16％）和燃烧室压强（0.1MPa-4MPa）对凝相粒子尺寸分布的影响，实验表明，粒子总数随滞留时间减少，粒子越大，减少的相对比例越大；粒子尺寸分布不随燃烧室压强和推进剂铝粉含量变化。     

固体火箭发动机Al_2O_3凝结及颗粒破碎的数值模拟

Al2O3凝结对固体火箭发动机Al颗粒的燃烧效率及燃气流动有很大影响。结合拉格朗日方法,建立Al2O3凝结模型,分析了在Al2O3烟雾凝结及颗粒自身破碎作用下,不同初始直径Al颗粒的燃烧效率及燃烧室流场的变化规律。计算结果与同条件下的测试数据有较好的吻合,颗粒分布符合相关实验现象。结果表明,小颗粒燃烧后,流场温度及Al2O3烟雾分布均匀;随颗粒初始直径的增加,径向出现明显分层现象;在发动机出口,小颗粒燃烧效率较高,颗粒中Al2O3质量分数较大,但破碎程度较小;随初始直径增加,颗粒燃烧效率逐渐降低,颗粒中仍含有大量未燃烧的Al,破碎程度提高,颗粒数目急剧增加。     

双补燃室固冲凝聚相颗粒分布对比试验研究

针对固冲发动机燃烧效率较低以及凝相粒子分布规律不清楚的现状,本文建立了一套评价固冲发动机燃烧效率的双补燃室试验装置和研究凝相颗粒分布的取样装置。对比研究了结构相同的补燃室内的参数,其误差小于0.5%,说明该装置可以用于精确对比不同补燃室的燃烧效率。然后应用该装置完成了补燃室长度分别为600mm、800mm、1000mm,进气角度分别为30°、45°、60°的对比试验,分析了粒子的粒度分布规律和化学成分变化规律,该规律与数值分析的规律相同。试验结果表明：在进气角度不变情况下,补燃室长度增加有利于提高燃烧效率,燃烧室压强提高,凝相粒子直径明显减小,B粒子燃烧更充分;在补燃室长度为1000mm的情况下,进气角度增加有利于燃烧效率增加,燃烧室压强提高,粒子直径减小,B粒子燃烧更充分。双补燃室发动机是评价补燃室燃烧效率的有效装置,粒度分布和燃烧产物的化学成分有助于补燃室结构设计。     

硼颗粒聚团着火过程研究

针对含硼推进剂固体火箭冲压发动机内硼颗粒聚团的着火过程开展了系统研究,考虑硼颗粒聚团内部气相扩散及颗粒聚团与周围环境的传热传质过程,建立了一维硼颗粒聚团着火模型,详细分析了环境总压、环境气体温度、氧气摩尔分数、聚团半径、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径对硼颗粒聚团的着火温度和着火延迟时间的影响规律。结果表明:硼颗粒聚团能够在比单颗粒硼着火温度更低的环境温度下实现着火,且着火温度随聚团半径、氧气摩尔分数的增加而降低,随环境总压、聚团孔隙率以及硼颗粒粒径的增加而增大;硼颗粒聚团着火延迟时间随环境气体温度、氧气摩尔分数和颗粒聚团孔隙率的增加而减小,随硼颗粒粒径的增加而增大。在较高的环境总压下,硼颗粒聚团的着火延迟时间随环境总压增加而增大。     

旋转射流对含硼固体火箭冲压发动机二次燃烧的影响

为提高固体火箭冲压发动机二次燃烧效率,将旋转射流技术引入固体火箭冲压发动机设计,采用Re-alizable k-ε湍流模型、单步涡团耗散燃烧模型以及KING硼粒子点火和燃烧模型,利用Fluent软件开展了旋转进气和一次燃气旋转含硼固体火箭冲压发动机补燃室三维反应流场流数值分析。研究结果表明,当空气射流切向进入补燃室时,气流产生的旋转均使燃料与空气的混合更充分,燃烧效率更高。当气流切入角度增大时,补燃效率先升后降,对于具体发动机结构,存在一个使燃烧效率最大的切入角,针对研究的模型发动机结构,此值在20°附近;当一次燃气旋流数的增加,二次燃烧效率呈逐渐增高的趋势。     

非壅塞火箭冲压发动机补燃室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型进行了非壅塞火箭冲压发动机补燃室两相流的数值模拟,其中铝颗粒的燃烧模型采用的是Davis扩散控制燃速的燃烧模型,建立了发动机补然室简单反应流模型,并在该模型下对某实验发动机进行了模拟,得出颗粒在补燃室内的分布,结果表明:与颗粒确定轨道模型相比,颗粒随机轨道模型更加适合模拟冲压发动机中的两相流动,并且颗粒的初始直径对颗粒燃烧效率有很大的影响。     

含高氮化合物BTATz的CMDB推进剂特性

以新型高氮化合物3,6-双(1-氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz)取代RDX制得了BTATz-CMDB推进剂试样,获得了燃速结果,并利用TG-DTG,PDSC,单幅照相、燃烧波温度分布和熄火表面形貌及元素含量测试技术对推进剂的热分解特性及燃烧特性进行了系统研究。结果发现,BTATz的氧平衡值较低,用其取代双基推进剂中的NC和NG后,推进剂的各能量特性参量出现不同程度的降低,因此,BTATz在推进剂中的含量不宜太高。BTATz-CMDB推进剂适用于常规无溶剂成型工艺进行制造;BTATz在燃速提升方面具有突出潜力,尤其在对推进剂主放热反应催化加速的催化体系(邻苯二甲酸铅、己二酸铜和炭黑的混合物)作用下,燃速提升效果更加明显;BTATz-CMDB推进剂燃烧时的火焰符合双基系推进剂火焰的一般特征,但由于BTATz不存在类似RDX那样的熔融过程,该类推进剂燃烧产生了发散火焰束,燃烧表面由熔融状变为疏松珊瑚状,火焰强度增强;随着压强升高,燃烧表面产生发散火焰束的活性点增多,暗区迅速变薄,增加了火焰区向燃烧表面的热反馈,加速了燃烧反应;催化体系对推进剂燃烧反应的气相区影响不大,它加强了凝聚相及表面附近的放热反应,改变了推进剂燃烧表面的结构,在推进剂燃烧过程中,催化剂(新生态)在推进剂的燃烧表面富集,催化了推进剂的分解和燃烧,促进了推进剂燃速的提高。     

包覆硼粒子提高硼的燃烧效率

在提高硼燃料燃烧效率方面，包覆硼粒子是有效的途径之一。本文介绍了用金属钛和碳化硼包覆硼燃料的两种工艺，介绍了含有不同包覆涂层的硼粒子影响冲压火箭推进剂燃烧性能的研究情况。