固体动力智能化发展技术展望

固体火箭发动机的智能化发展可使其具备自感知、自适应的特点,从而满足推力可调、可多次启停、跨域长时间工作的未来飞行器动力需求.综述了三种具有智能化特点的固体动力研究进展,通过对多模态跨介质组合动力、固体火箭超燃冲压发动机、智能可控固体发动机的工作原理及性能优势进行分析,明确了其未来发展的关键技术,并对其未来发展趋势和应用...     

MHD能量旁路超燃冲压发动机可行性分析

使用准一维模型对磁流体能量旁路超燃冲压发动机MPCE(Magneto-Plasma-Chemical Engine)进行了性能计算.考察了理想和非理想的超燃冲压发动机应用磁流体MHD(magnetohydrodynamics)能量旁路的效果,对于理想的超燃冲压发动机应用MHD反而会使发动机的性能降低;对于非理想的超燃冲压发动机,MHD的作用使发动机的比冲增加.考虑发动机工作的工程限制条件对超燃冲压发动机和MPCE的性能进行了比较,结果表明应用MHD可以扩大超燃冲压发动机的工作范围,在非设计马赫数下提高发动机的性能.计算了负载系数、通道压力系数等重要的设计参数对MPCE性能的影响,结果显示优化参数设置可以使发动机比冲增加,但是同时又会受到工程条件的限制.     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超音速空气流的补燃室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

准直流放电等离子体对超燃燃烧室中碳氢燃料燃烧的影响研究

为研究低燃空比条件下,准直流放电等离子对超燃燃烧室中乙烯燃烧流场的影响,在凹腔上游以及底部前壁面处布置电极产生等离子体,通过数值模拟方法,分析了不同等离子体激励强度下,燃烧室凹腔后缘附近压力分布、燃烧室总压损失、乙烯燃烧效率和燃烧室中水的分布情况。研究结果表明:准直流放电等离子体激励强度越高,对凹腔后缘附近压力场稳定能力越强。等离子体的存在,使得燃烧室出口总压损失微弱增加,损失最大值增加1.9%。燃烧室中乙烯燃烧效率平均提高1.77倍,随着激励强度的提高,燃烧效率呈现先增高后降低的趋势。等离子体改善了燃烧室中水的分布,凹腔内部产物分布范围更广、燃烧更加充分。     

板料冲压成形回弹的数值模拟

回弹是板料成形过程中不可避免的现象.回弹的数值模拟作为解决回弹问题的有效方法,越来越受到工业界和学术界的重视.完整的回弹数值模拟分为2步,即冲头加载成形过程模拟和冲头卸载回弹过程模拟.本文比较了静力隐式和动力显式2种算法在计算回弹问题时的优劣,采用静力隐式算法建立了计算冲头加载成形过程模拟和冲头卸载回弹过程模拟的有限元模型,并利用自行开发的软件给出了计算实例.      

冲压发动机进气道楔形前缘体热应力分析

为研究拉压不同模量(以下简称双模量)冲压发动机进气道前缘体的热应力状态,在Ansys基础上,利用二次开发,得到了可分析具有双模量属性材料应力的模块。以ZrB2-SiC为材料的发动机前缘构件的ZrB2部分为研究对象,以来流马赫数6.0,总温1660K,总压2.85MPa为条件,经流场及热传导计算得到前缘体内部不均匀温度场。实验测得ZrB2材料在不同温度下的拉、压模量,其压缩模量为拉伸模量的两倍,将拉、压弹性模量以及计算的温度场导入到所开发的模块中进行热应力分析,得到此前缘体ZrB2部分的热应力分布状态。将此结果与不考虑双模量情况下进行流-固-热耦合分析得到的热应力分布曲线进行对比。结果表明,不考虑ZrB2材料的双模量属性的结果最大误差高达300%,严重超出了工程上的要求精度。对比结果说明了不同模量理论的重要性,同时证明了所开发的不同模量应力分析模块的工程实用价值。     

基于NSGA II算法分布度改进的ATREX发动机性能优化方法研究

为使飞行轨迹上膨胀式空气涡轮冲压发动机(Air Turbo Ramjet Expander, ATREX)推力满足飞行器要求,同时比冲为对应推力下的最优值,基于改进分布度的NSGA II算法建立了以推力、比冲为优化目标的ATREX多目标优化模型。本文首先提出了基于个体优化目标间直线距离的筛选函数,改善了NSGA II算法优化结果的分布度;然后基于改进的NSGA II算法建立了ATREX性能多目标优化模型,获得了地面状态发动机推力、比冲最优解。在优化结果分布度接近前提下,与基于原NSGA II算法建立的ATREX性能多目标优化模型对比,基于改进NSGA II算法建立的优化模型所需初始种群个数及迭代时间均下降30%左右。     

含硼碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧试验研究

为提高碳氢燃料的能量密度,针对在高密度液体碳氢燃料中添加纳米硼颗粒的燃料方案,在超燃冲压发动机试验台上开展了点火燃烧性能试验验证。试验当量比为0.56～0.94,评估了硼颗粒添加对燃料喷注特性、比冲性能和固相沉积的影响。基于本文所用液体碳氢燃料,添加质量分数16%的硼颗粒可使超燃冲压发动机燃烧室平均密度比冲提升6.05%;硼颗粒添加会造成明显的壁面固相沉积问题,干扰压力测量系统获得有效数据。本试验初步评估了含硼碳氢燃料典型方案的喷注特性,获得了硼颗粒添加对燃料性能提升的定量结果。     

冲压翼伞充气过程的数值模拟

基于冲压翼伞的MSD模型,采用流场、结构松耦合方法对冲压翼伞的充气过程开展数值模拟研究。通过将冲压翼伞简化为二维的伞衣剖面,分析单个伞衣剖面受到的气动力、重力和应力,并离散作用于由弹簧阻尼连接的质点上,建立了伞衣多节点模型,编写了多节点模型动力学方程组解算代码。结合流场计算得到的伞衣充气过程表面的气动力,对充气过程进行了动态仿真,初步分析了翼伞充气过程伞衣外形、流场和气动特性变化特点。     

固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究

硼颗粒在通过固体火箭冲压发动机的燃气发生器喷管进入补燃室的过程中,颗粒通常都会受到高速气流的作用。此时,静止条件下硼颗粒的燃烧模型不再适应。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧的二维问题建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的显示表达式,并进行了求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。