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.     

基于有限体积法和SNBCK模型的红外辐射特性计算

耦合求解流场、组分浓度场、基于SNBCK模型的气体辐射传输/能量方程以求准确模拟飞行器排气系统气动热力及红外特性.窄带模型参数由HITEMP逐线计算数据库计算得到.通过CO₂4.3μm波段吸收率计算,圆柱炉膛辐射换热特性计算两个算例验证了所采用程序求解辐射传输/能量方程的准确性.最后计算了两种二元喷管的红外特性,结果表明大宽高比二元喷管地面和空中状态红外辐射特性差异巨大.     

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。     

后摆心潜入式喷管柔性接头力学特性数值仿真

针对后摆心潜入式喷管柔性接头在燃气压力与摆动联合载荷下,弹性件与增强件的力学特性计算问题,建立了对称刚体-柔性体结合的几何模型;采用了有限元方法,获取了柔性接头在燃气压力、摆动载荷及联合载荷下应力、弹性比力矩分布规律。研究表明:随着燃气压力增大,弹性比力矩降低;随摆角增大,弹性比力矩增大。文中的数值仿真方法,可以应用于柔性接头力学特性的计算,为柔性接头强度的安全性评估提供指导。     

双S弯二元排气系统遮挡偏距比对壁温与红外辐射影响的试验研究

为了探究不同遮挡偏距比双S弯排气系统的红外特性,试验研究了遮挡偏距比为55%和100%的双S弯二元排气系统的壁面温度分布和红外辐射特性,并与相应的基准轴对称排气系统进行了对比分析。结果表明：S弯喷管壁温整体要比基准轴对称喷管高约25%,第一S弯下游的上壁面附近存在局部高温区,提高S弯喷管遮挡偏距比后,温度梯度加剧,热应力集中。与基准轴对称排气系统相比,55%和100%遮挡偏距比双S弯二元排气系统均具有突出的红外抑制效果,正尾向（α=0°）红外辐射强度分别降低77.7%和79.3%。从温度和红外辐射强度综合评价,遮挡偏距比并非全遮挡最好,遮挡偏距比从55%提高到100%后,仅能有效抑制上方探测面α=5°和10°的红外辐射,而基本不会改变尾向其他探测方向的红外辐射,在工程设计时应权衡优化损失。     

单组元300N发动机低温试验研究

为探究低温环境下单组元300N发动机的工作特性,揭示影响发动机低温性能的主要影响因素,以300N发动机为试验对象,开展了模拟飞行工况的发动机低温试验。给出了低温试验研究方法,分别从温度差异对发动机性能影响、催化剂活性差异对发动机低温启动特性影响和低温对电磁阀响应特性影响等方面获得研究结果。结果表明,低温是影响发动机低温性能的主要影响因素,-48℃条件催化剂无法完成推进剂的催化分解,发动机发生爆炸;-30℃条件下起活时间为80.5～87.5ms,发动机可正常启动,且启动温度与起活时间呈指数关系;催化剂批次差异也对发动机低温工作性能产生一定影响,不同批次催化剂低温起活时间的差异可达91ms;低温试验过程中,电磁阀的关闭受到低温推进剂粘性和背压的影响,产生了明显的迟滞现象,延迟时间约100ms,对发动机在轨的精准控制存在一定影响。     

Periodic atomization characteristics of an impinging jet injector element modulated by Klystron effect

An experimental study on the Klystron effect of periodic injection modulated by pressure drop fluctuations on subsequent atomization is conducted. Time-resolved atomization backlit images and atomization Mie scatter images are captured by using the high speed camera. It is found that periodicity of forced atomization relies on pressure drop fluctuation amplitude and phase differences between atomization and pressure drop fluctuations relate to fluctuation frequencies. This feature of periodic atomization induced by Klystron effect corresponds to periodicities and high amplitudes of pressure fluctuations in unstable combustion chambers and chaos and low amplitudes of pressure fluctuations in stable combustions chambers. Drastically periodic varying of gross surface area of droplets with time was shown in Mie scatter images. The importance of periodic impinging jet atomization modulated by pressure drop fluctuations for acoustic liquid propellant combustion instabilities is illustrated.     

Pumping speed of cryopump for xenon

The xenon pumping speed testing system of the large-diameter external cryopump was designed to meet the plume test requirements for prototype electric propulsion. The flowmeter method was utilized to measure the xenon pumping speed. The test results show that the averaged effective pumping speed of double-cryopumps is 52200L/s, and that of single-cryopump is 27100L/s. The pumping speed ratio of two configurations is 1.93. It can be concluded that the pumping speed has in linear relationship with the number of cryopump, and the coefficient is irrelevant with the gas type. The averaged effective pumping speed of xenon is less than its nominal pumping speed, and the averaged pumping efficiency is 0.83. Under the identical inflow conditions, the averaged effective pumping speed ratio of nitrogen is 0.53, slightly less than the theoretical pumping speed ratio of 0.55. Consequently, it can be concluded that results assessment of large-diameter external cryopump design index can guide the engineering application, showing certain reference significance.