液氧煤油火箭海上发射基本方案及关键技术分析

海上发射火箭在提升火箭运载能力、降低残骸坠落风险等方面具有极大优势。我国已成功实施多型固体火箭海上发射任务,相比固体火箭,液氧煤油火箭具有更高的比冲和环保性。根据液氧煤油火箭陆基发射的特点规律和固体火箭海上发射任务流程及实施方案,研究了海射系统港口基地、海上发射船、运载火箭、保障船等运行的基本方案,提出海上发射任务实施流程,分析了牵制释放、连接器零秒脱落和自动对接、无人值守推进剂加注技术在海上发射火箭中的重要意义,以及需要解决的关键技术难题。     

旋转固体火箭发动机随质量变化的姿态运动分析

旋转固体火箭发动机是否稳定主要取决于其微小的侧向角速度是否被耗散或被放大。就发动机内部随燃烧而质量发生变化,且使飞行器整体质心前移的圆柱形装药结构进行姿态动力学分析,得到在几种典型装药形式下侧向角速度随时间的变化情况。结果指出,质量的减小对飞行角速度的变化是有影响的,由于误差等因素所引入的初始侧向角速度也会被逐渐耗散掉。此外,在某些装药形式及燃烧方式下,其侧向角速度在燃烧过程中会以指数规律增加,通过对计算结果的分析,提出了对发动机设计的稳定性要求。     

点火升压阶段药柱裂纹变形研究

利用流固耦合软件MPCCI将FLUENT和ABAQUS连接,计算了固体发动机点火升压阶段燃烧室流场与药柱裂纹变形情况.FLUENT计算耦合区域作用在固体边界上的力,以节点量的形式传给MPCCI,MPCCI将节点量进行插值传给ABAQUS,ABAQUS得到外加载荷,计算耦合区域作用在流场上的节点位移,再通过MPCCI插值后传给FLUENT.计算结果表明,在燃气流入裂纹初期,在裂纹尖端形成相对封闭空间,造成裂纹内压强上升,反射激波引起裂纹尖端更高的升压速率,同时在裂纹尖端形成应力集中,为裂纹动态扩展提供了可能.     

长尾喷管气凝胶隔热层结构设计

固体火箭发动机长尾喷管外围通常放置舵机等控制系统,为了满足控制系统的工作温度要求,设计了一种用于长尾喷管段的新型热防护复合结构。长尾段隔热层采用具有低热导率、低密度特点的二氧化硅气凝胶材料。首先建立了气凝胶材料热导率计算模型,并对高温环境气凝胶材料导热性能进行测试。随后结合气凝胶材料热导率计算,建立了长尾喷管的热防护复合结构模型,并对喷管热防护结构模型进行了瞬态传热分析和力学性能分析。结果表明,喷管热防护结构设计满足材料力学性能。在发动机工作20 s后气凝胶材料可以将喷管的长尾段外壳壁面温度控制在320 K以下。相较于传统的高硅氧酚醛隔热材料,气凝胶材料隔热效果表现更优,且可以有效减少喷管热防护结构的消极质量。     

固体火箭发动机喉径变化辨识

根据发动机实验得到的燃烧室压强和发动机推力随时间变化数据，考虑了三氧化二铝沉积、消融和喉衬材料烧蚀，建立了喉径变化模型，并用辨识技术得到了喉径变化规律，为发动机性能计算提供了必要的数据，大大提高了性能计算的精度。     

节流式燃/氧分离发动机准一维内弹道数值研究

针对节流式燃/氧分离发动机建立非定常准一维内弹道数值模型和性能调控机理关系式,以对发动机推力调控过程进行预示。数值模型考虑燃烧室中的燃气注入、壁面摩擦和推进剂燃面退移,采用有限速率化学反应模型描述化学非平衡过程。利用该数值模型,计算得到了节流式燃/氧分离发动机的调控性能参数及内部流动参数分布情况。结果显示,当流量调节阀喉部半径由2.89 mm调节至1.65 mm时,发动机推力可由105.09 N增至432.18 N,推力提升至调节前推力的411.25%,验证了节流式燃/氧分离发动机的推力调控能力。发动机在流量调节阀作动过程中出现负调现象,调节阀作动速度越大,负调量越大,但性能参数的响应时间越短。发动机性能调控影响因素分析表明：推进剂压力指数增大和喷管喉部半径减小均有助于节流式燃/氧分离发动机性能调控能力的提升,从而提出了喷管可调的节流式燃/氧分离发动机方案。其工作过程的仿真结果表明：在特定的推力调节比要求下,减小喷管喉部半径能够有效降低富燃燃烧室承压水平,为发动机性能调控提供更多可行方案。     

固体火箭发动机内弹道异常现象的计算机辅助分析

本文根据质量、能量守恒定律,借助罚函数调用模矢搜索法的优化方法,编制了一套利用发动机地面静止试车所得压强、推力—时间历程分析判断其内弹道产生异常现象原因的计算分析程序,并通过一台假想发动机因装药燃而、燃速的局部变化,喷喉烧蚀或瞬间局部堵塞引起的内弹道异常现象的分析计算,论证了上述分析方法和计算程序的可行性和可靠性,同时还给出了两台真实发动机试车曲线的分析算例。结果表明,利用这套程序分析发动机试车所得P_((?)x)—t,F_(ex)—t曲线,可迅速找出产生内弹道异常的原因,为改进发动机设计提供了一个较为实用的工程方法。     

液体火箭发动机异构CAD三维模型装配技术分析与应用

针对某新型液体火箭发动机三维模型装配技术应用现状,不同三维建模工具之间数据格式互不兼容,不能相互调用,以及在产品数据管理系统中,异构CAD三维模型装配无法自动生成产品BOM结构,装配信息无法跨软件进行传递。对Pro/E与NX三维模型相互调用、异构三维模型装配、产品BOM结构自动生成、更改同步等问题进行了研究,采取轻量化模型JT和中间格式进行装配实现异构CAD三维模型的装配和管理,采用轻量化模型JT装配方法,既可以保证JT与三维模型的一致性,也可以实现装配BOM结构的自动生成和更新。采用STEP中间格式进行装配,解决了产品数据管理系统中对轻量化模型转换控制,降低了CAD集成环境下异构三维模型的装配要求,确保了STEP文件与三维模型的一致性,实现了异构CAD三维模型在统一环境下BOM结构的自动更新和发动机技术状态的管控。     

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。     

预混可燃流体在大长径比圆管内流动传热点燃研究

通过对预混可燃流体在大长径比圆管内的流动和传热的分析,首次提出一种用于脉冲火箭发动机多次点火的方法。新型发动机中,预混可燃流体在流动过程中被加热,并自动点火,按需要通过迅速散热保证熄火,从而实现了任意脉冲的自动点火和熄火,并可实现推力调节。对这种点火方法进行了理论分析和实验研究,成功地得到了5个工作脉冲。