发动机引流推力矢量方案数值研究

针对从燃烧室引流喷射的推力矢量控制方案,采用数值模拟的方法进行流场计算与分析,比较了引流向喷管内喷射、向无弹翼的弹体外侧喷射和向有弹翼的弹体外侧喷射三种方案。数值模拟结果表明:向喷管内引流的侧向力与喷流位置和喷射角度相关,最大侧向力与轴向推力的比值与引流管喉部面积占总喉部面积的比值大致相等;向弹体外引流时,喷口附近的弹翼对流场有很大的影响,若没有弹翼,则侧向力放大因子小于1,不宜采用;弹翼对喷流侧向力起显著的增强作用,放大因子可达1.5或更高。     

液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合（FSI）作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响,采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)（非耦合）模型仿真计算以及模态试验验证,比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下,导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例,当管径大于设计值30%后,耦合作用引起的1阶频率误差高于10%,此时流固耦合不能忽略;而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.      

变控制流供应角度涡流阀固体变推力火箭发动机调节方案

针对涡流阀变推力发动机变控制流供应角度方案,开展了发动机工作特性的数值模拟及实验研究。数值研究结果表明:采用变控制流供应角度可以很好地实现涡流阀变推力发动机的推力调节;涡流阀最大推力调节比超出加质发动机调节比26%;调节比随着控制流供应角度的减小而增大。实验结果表明:变控制流供应角度方案可行,验证了“气 气”调节的优越性。变控制流供应角度涡流阀固体变推力发动机为实现固体发动机推力调节提供了一种技术途径。      

基于PXI的液体姿轨控火箭发动机试验测控系统设计与实现

针对液体姿轨控火箭发动机地面试验高精度、高风险和灵活多变的特点,设计研发了一套以PXI （PCI extensions for instrumentation）控制器为主体的发动机试验测控系统.控制系统拥有40路开关量控制能力,综合运用手动、时序和自动控制方式.测量系统拥有120路信号同步采集能力,具备故障诊断功能.测控系统软件使用LabVIEW开发,通用性良好.为增强控制可靠性,设计了面向工艺流程的试验面板,应用嵌入式控制,进行信号多级监测并引入紧急自动关机控制.为提高测量精度,对测量参数进行原位标定,提出了一种改进的干扰消除电路.该系统已多次成功应用于液体姿轨控火箭发动机地面试验,采用的设计方法有效地提高了测控系统的可靠性,测量精度和控制精度分别达到0.5%和0.1ms,能够充分满足多种类型的液体姿轨控火箭发动机对试验测控系统的要求.     

针栓式喷注器锥形液膜破碎特性试验

采用高速摄影获得了针栓式喷注器在不同喷注压降和结构参数下的表面波破碎图像,测量了锥形液膜的破碎长度和破碎时间,研究了变工况时液膜破碎长度和破碎时间的变化规律.试验结果表明:在喷注压降不变的条件下,针栓式喷注器能够实现流量的线性调节.针栓式喷注器设计时,在合理的推进剂动量比范围内,狭缝宽度应尽量取小.液膜在低工况时破碎得更快.液膜破碎长度和破碎时间均随喷注压降的增加而减小.      

固体火箭发动机流体喉部推力矢量特性

针对采用水作为二次流工质的流体喉部进行了冷流实验及数值模拟研究.研究了该种固体火箭发动机流体喉部的一般规律,包括不同二次流射流方式,不同二次流流量下流体喉部的扼流性能,推力偏角及推力效率,数值模拟及实验结果吻合较好.结果表明:扼流性能与二次流的注射位置、注射角度及流量比有关,且随二次流/主流流量比的增大而增大.喉部二次流喷射能有效的调节有效喉部面积进而调节推力大小,当流量比为0.4时,最大有效喉部面积比为0.8;扩张段二次流喷射能有效调节推力方向,当流量比为0.4时,最大推力偏角为20°;喉部二次流与扩张段二次流入射位置存在相位差可有效降低喉部与扩张段二次流干扰.      

液体火箭发动机推力室壁瞬态加载三维热结构分析

为了预测再生冷却液体火箭发动机推力室壁的应变分布,研究内壁失效机理,使用有限元法对推力室壁进行了三维瞬态热分析,在瞬态热分析结果的基础上采用多线性随动硬化模型对推力室壁进行了三维弹塑性结构分析。计算结果表明,多线性随动硬化模型能够准确地模拟推力室内壁材料的应力-应变关系;内壁温度达到稳态的时间相比外壁要短得多,在预冷、试车和后冷开始约0.1s后内壁温度便已经接近稳态;瞬态加载三维热结构分析能够确定推力室内壁最先失效的危险点的位置在喉部上游冷却通道中心;推力室壁瞬态加载三维热结构分析得到的最大残余应变比稳态加载大15.7%。     

固体火箭发动机零维两相燃烧室压强计算方法研究

为了更准确地预估含金属燃料固体火箭发动机的燃烧室压强,在压强计算中考虑两相流的影响,从一维两相喷管流动的求解出发,通过两相平衡流模型、两相常滞后模型、两相等温流模型、颗粒定温模型等模型的简化,分别推导不同模型下喷管中两相混合物的流量计算公式,再把流量公式应用到发动机零维内弹道理论中,推导并简化得到零维燃烧室平衡压强的计算公式。把压强公式用于HTPB推进剂固体火箭发动机和铝冰固体火箭发动机的燃烧室压强计算,结果表明,当固体推进剂中金属含量较高时(如铝含量为21%的HTPB推进剂发动机),用传统零维燃烧室压强公式预估的压强与实验误差较大,而使用合适的两相流模型和对应的零维燃烧室压强计算方法,在HTPB发动机中,能把压强预估结果与实验的误差降低到6%以内。如果使用多维内流场计算的方法,燃烧室压强预测结果的误差将下降到2.5%以内。结论发现在含金属固体火箭发动机的燃烧室压强计算中,考虑两相流的影响是必要的,而使用两相流修正后的零维燃烧室压强计算公式能够快速、较准确地预估这些发动机的燃烧室压强。     

再生冷却推力室热障涂层系统的热结构分析

为了设计和优化适用于液体火箭发动机推力室的热障涂层,应用ANSYS的热-结构分析功能,对再生冷却推力室-热障涂层系统进行了热结构有限元分析,得到在不同涂层覆盖下,推力室壁中的温度场和应变场,并通过对热障涂层中应变场的分析,研究不同涂层发生分层剥落的关键位置以及主要驱动力。结果表明,陶瓷层厚度较大的YSZ+Ni Cr Al Y涂层拥有更优异的性能,使推力室壁在热试阶段的最大应变量减少约36.1%;工作循环中,涂层与推力室壁的接触面上会产生较大的应变量,最终有可能导致涂层剥落失效;粘结层能缓解涂层与推力室壁间的热膨胀系数不匹配,使陶瓷层在热试阶段的最大应变量减少约80%。     

基于光纤传感器的SRM界面黏接应力监测

界面黏接应力是SRM(固体火箭发动机)药柱结构完整性重要方面,也是健康监测的重要参数。为实现对黏接应力实时在线监测,设计了一种聚合物封装的FBG(光纤布拉格光栅)传感器,将其埋入HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)推进剂/衬层界面黏接试件中。通过对试件在受到拉应力作用下FBG传感器反射光谱的模拟和应力响应测试试验研究了FBG传感器对应力响应规律。结果表明:FBG传感器中心波长随着试件的拉应力增大而减小,线性度较好,且传感器具有较高的灵敏度和稳定性。试件黏接性能测试试验中,FBG传感器性能保持完好,黏接试件强度满足技术指标,验证了传感器封装和埋入方式的可行性。