新型空间站氢/氧变轨发动机研究

基于气动谐振点火技术的氢／氧变轨发动机是一项新型的液体火箭推进技术,尤其适用于空间站应用。通过氢氧推力室理论热力计算以及同轴氢氧谐振点火试验研究,采用了同轴氢氧谐振点火器加氧气补燃喷嘴的发动机头部结构方案。在同轴氢氧谐振点火器进行性能试验研究基础上,依次成功进行了发动机头部的谐振点火及氧气补燃试验。最后,成功完成了包括单脉冲、连续双脉冲及3．0S持续工作几种形式下的发动机地面试车试验,验证了发动机工作的可靠性及可行性。发送机起动时间达到0．2S以内。     

液体垫片的性能及工艺性的试验研究

通过试验研究了Epibond 1543A／B液体垫片和试验所用铝合金、钛合金与碳纤维复合材料的制备方法。进行了这些材料剪切性能和耐湿热、耐盐雾性能等基本性能的测试。结果表明液体垫片低温、常温下均具有较高的剪切强度和优良的耐环境性能。     

横向气流中液体射流袋式破碎机理

采用高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流袋式破碎过程进行了实验研究。实验所用喷嘴孔径为1.0mm,实验工质采用水。Wea范围覆盖11～23,液/气动量通量比q覆盖11～95。实验中观察了袋的形成及破碎过程。实验发现,袋的触发长度lonset/d与无量纲数In(q/Re)存在线性关系,而袋的触发时间则为常数;对袋式结构的进一步研究得出袋的破碎长度与液体射流速度无关,只与We数有关,且成线性关系,即破碎长度随着We数的增加线性减小。最后还给出了核心射流破碎位置与液/气动量通量比q的关系,无量纲化破碎位置横坐标为常数,而无量化破碎位置纵坐标随着In(q)线性增加。以上结果可以指导实际设计合理安排袋的触发、破碎点位置,改善雾化性能;在数值模拟上能帮助构建精确的初始雾化模型,提高模拟精度。     

液体火箭贮箱增压排液过程三种气枕模型的数值对比

针对液氧贮箱氦气增压排液过程,分别建立了零维整体模型、一维分层模型及二维计算流体力学(CFD)模型对气枕物理场的变化规律进行数值研究.零维及一维模型采用经验公式求解气枕与壁面间的换热量,而二维CFD模型通过低雷诺数k-ε模型确定流体与固壁间的耦合换热作用.计算时氦气采用理想气体模型.利用三种模型分别预测了贮箱内气枕压力、气枕平均温度及温度分布规律.计算结果表明:三组结果分布合理,不同模型的结果之间能够互相印证;对于气枕及与气枕接触壁面沿轴向的温度分布,在气枕主体区一维模型与二维模型预测结果基本吻合,而在靠近消能器的气枕上端,两种模型预测值存在偏差;当增压气体入口速度较大时,气枕上端径向温度分层明显,需采用二维CFD模型才能展示气枕物理场分布.      

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布.结果发现:增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布.该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据.     

基于SPH方法的三维液体晃动数值模拟

采用SPH方法对棱形液舱在外加激励作用下,不同充液比工况所对应的舱内液体晃动进行了三维数值模拟,并将其与实验进行对比,两者吻合较好,同时成功地模拟出液体晃动产生的波浪翻卷和破碎,进而验证了SPH方法在求解三维液体晃动问题的准确性。分析结果表明:液舱的充液比及晃动周期对于液体的晃动特性及舱壁的压力有重要的影响,在大充液比情况下,迟滞特性所表现的双峰特征消失。     

低温液体火箭发动机高压静密封有限元分析

以某型号液体火箭发动机的推力室燃料阀出口法兰静密封结构为研究对象,针对法兰连接结构特点,运用有限元方法建立了管路-阀门-推力室模型,通过热-结构耦合计算分析表明:在温度和压力的共同作用下,推力室燃料阀出口法兰变形导致密封面微小分离,造成垫片局部压紧应力大幅减小,可能引起推进剂泄漏并起火。在通过上述分析定位泄漏原因并预测泄漏率之后,又建立了参数化的螺栓-法兰-垫片密封性分析局部模型,基于柔性石墨垫片的基本性能试验数据,计算分析了垫片厚度、螺栓预紧力等结构因素对静密封性能的影响,理论上验证了增加预紧力,增厚密封垫片等密封改进措施的有效性。     

液体燃料爆炸抛撒及云雾形成的实验研究

为了分析燃料的物理化学性质、表面活性剂对液体燃料爆炸抛撒过程的影响,进行了相关实验研究,用高速摄影机记录了不同情形下的液体燃料爆炸抛撒及云雾成长过程。实验结果表明,液体燃料爆炸抛撒过程可以分为加速运动、减速运动和扩散运动三个阶段;选用低粘度、低表面张力且具有一定挥发性的液体燃料可获得较好的爆炸抛撒及雾化效果;适量表面活性剂的加入虽不能增加燃料云雾最终扩展半径,但可使液体燃料分散得更均匀,从而更有利于爆轰的传播。     

重型火箭下面级发动机基本参数分析

分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了任务要求以及一套重型火箭箭体结构方案.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案,包括推力量级、推进剂以及发动机循环方式的选择.采用面向对象的通用顺序化计算方法,建立发动机系统仿真模型,计算得到9个发动机方案的最高室压及功率平衡参数,分析了燃烧室压强和混合比对发动机性能的影响.经综合分析,建议重型火箭下面级发动机可选择推力4 500～5 000 kN富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机.      

液体火箭发动机推力室冷却通道温度分层数值研究

为了研究冷却剂温度分层的形成机理及其对流动和换热的影响, 应用雷诺应力模型(RSM)对液体火箭发动机推力室再生冷却通道的流动与传热进行了三维数值模拟, 冷却剂为气氢, 考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:冷却剂在非流动方向会出现温度分层现象, 随着冷却剂的不断受热, 温度分层现象越明显, 由于喉部二次流加强了冷却剂间的混合, 在喉部区域温度分层被减弱, 温度分层对冷却剂温升及压降影响较小, 严重影响气壁温度的估算.