双燃烧室冲压发动机增强燃烧及发动机性能研究

为深入理解双燃烧室冲压发动机(DCR)增强燃烧机理,以超燃冲压发动机(SCR)为参照,基于CFD数值模拟技术对两类发动机进行了性能对比。燃料选用煤油C12H23,当量比0.8,采用六组分四步化学反应机理。结果表明,DCR能够增强燃烧并提高燃烧效率,且马赫数升高后,其提升效果不降反升。DCR增强燃烧机理在于两点:一是亚燃室的高温高压有效缩短了点火延迟进而促进了燃烧;二是其特殊的“三明治”火焰结构,反应区可同时向内外两个维度传播燃烧,反应面积大幅增大使得燃烧效率更高。DCR也能够提升发动机性能,但当马赫数升高后,由于DCR总压损失明显增大,其性能提升优势有所减弱。

空心阴极羽流等离子体放电不稳定性二维仿真模型

空心阴极放电过程中空间电势振荡会影响其工作性能,振荡过程产生的高能离子会对阴极孔产生溅射腐蚀,进而严重影响空心阴极的使用寿命。建立由质点网格(Particle-in-Cell,PIC)模型、振荡幅值模型与等效电路模型组成的一体化耦合模型来计算空心阴极放电过程电势振荡特性。采用PIC模型计算不同放电电流、放电电压及气体流量下羽流等离子体放电特性,获得羽流的电势、等离子数密度、电场强度和电子温度等时均参数的空间分布。基于等离子体聚集与耗散理论,建立电势振荡幅值模型,根据计算得到的时均参数来预估空间电势振荡幅值。将等离子体时均参数以及电势幅值振荡参数作为输入参数,代入到空心阴极放电等效电路模型中,从而得到相应工况下的电势振荡波形图。通过和实验结果对比发现,所建立的一体化耦合模型能较好地预估空心阴极羽流等离子体电势振荡特性,研究成果可用于指导空心阴极稳定放电,提升空心阴极在轨工作时限。

脉冲触发对固体火箭发动机内弹道压强抬升的影响

为了解固体火箭发动机在脉冲触发激励下的工作性能,设计了一种脉冲触发实验系统并开展实验研究,建立了脉冲触发内弹道模型。结果表明,实验系统压强抬升响应时间在25 ms以内,相较于延长段位置,发动机头部的压强扰动更大,扰动传播速度为1259 m/s;脉冲触发器峰值压强与发动机压强抬升预示误差均小于6%;延长段越长,脉冲触发产生的压强抬升越小;脉冲药量越大,压强抬升越大,脉冲药量与压强抬升呈近线性关系,药量从3 g增加到8 g,发动机压强抬升率从8.142%提升到31.594%;发动机压强抬升随脉冲触发器节流孔径的提升显著增大,孔径从1 mm增大到4 mm,压强抬升率从1.656%提升到了27.448%,壅塞作用导致1 mm的节流孔径无法达到脉冲触发效果;发动机压强抬升随着发动机喉径的增大而减小,喉径从12.50 mm提升到14.00 mm,压强抬升率从19.204%降低到了14.771%;对于本实验系统,触发时刻对发动机压强抬升影响小。

液体火箭发动机隔板研究综述

隔板是在液体火箭发动机当中用来抑制不稳定燃烧的一种阻尼装置,国内外多种型号的运载火箭都通过隔板消除了不稳定燃烧,得益于其简单的结构和较好的阻尼效果,隔板将在当下和未来保障推进系统稳定运行。简要介绍了隔板的结构形式,分析了隔板的存在对燃烧室内燃烧过程和声场的影响机理,给出了隔板的结构参数(隔板形式、叶片长度、叶片数量等)对阻尼效果的影响,分析了国内外针对隔板的研究成果。最后,基于当前的研究现状提出了对隔板未来研究的展望。

离子发动机栅极材料差分溅射产额分布特性仿真

针对离子发动机栅极溅射原子空间分布不明确导致栅极腐蚀模型预测偏差大的问题,采用SDTrimSP程序模拟离子轰击栅极材料的溅射过程;系统研究离子入射能量、入射角度以及离子种类对钼栅极材料差分溅射产额的影响。发现正入射条件下的差分溅射产额仿真结果与实验具有较好的一致性。重点关注斜入射条件下差分溅射产额在不同方位角下的分布轮廓,并通过Modified-Zhang公式对差分溅射产额进行拟合,以拟合结果作为材料边界条件输入溅射腐蚀—再沉积模型,较为真实地模拟了栅极材料的腐蚀过程。以上研究可为离子发动机栅极组件腐蚀形貌的精确预测提供参考。

宽温域宽应变率下丁羟四组元HTPB推进剂单轴压缩力学行为

为研究丁羟四组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在宽温域宽应变率下的单轴压缩力学行为,基于万能材料试验机、高速液压伺服试验机、分离式霍普金森压杆,结合可程式恒温恒湿试验机等温控手段,开展了宽温域宽应变率下的推进剂单轴压缩力学性能实验,获取了-40,-25,-10,20,50℃5个温度下10-4~103 s-1应变率的丁羟四组元HTPB推进剂的应力应变曲线,并建立了HTPB推进剂的分段式单轴压缩率温本构关系。结果表明,HTPB推进剂的力学响应存在显著的率温相关性,在任意应变率下其力学响应都呈阶段性变化,即线弹性阶段⁃非线性屈服阶段⁃应变软化阶段或应变硬化阶段;且在高应变率下,非线性屈服行为后的应变软化现象明显弱于低、中应变率。此外,高应变率时,随着温度的降低,应力应变曲线的变化速率逐渐减缓;而低、中应变率却恰恰相反,随着温度的降低,应力应变曲线的变化速率逐渐加快。HTPB推进剂的力学强度随着温度的降低显著增大,温度从50℃降低至-40℃时,HTPB推进剂试件在宽应变率作用下的最大应力从2.2~8.8 MPa增长至约11~22 MPa。同时基于实验数据构建了分段式率温本构关系,发现其在温度较高时拟合效果更好,能够较好地预测HTPB推进剂的力学行为。

摩擦力对空间非导电绳系释放动力学的影响

当前空间非导电绳系释放过程因摩擦力数据缺乏,导致释放动力学仿真结果不能有效反映真实情况。为此,基于绳系地面释放平台,开展非导电绳系释放摩擦力测量实验,研究了系绳材料、直径、缠绕方向和释放速度对系绳释放所受摩擦力的影响,阐明非导电绳系释放过程影响球形效应不稳定现象的主要因素,确定非导电绳系释放摩擦力与释放条件之间的定量关系。进一步建立考虑摩擦力的绳系释放动力学模型。仿真结果表明,非导电绳系释放摩擦力对释放过程影响较大,对于500 m长的系绳,初始释放速度为2 m/s,在未考虑释放摩擦力时,绳系释放完成时间与考虑摩擦力的实际情况相差约20%。

入口流场不均匀性对固体火箭发动机大膨胀比喷管内流场的影响

在高机动飞行过程中,固体火箭发动机承受长时间的小过载会导致喷管入口处燃气方向改变,而药柱空间非均匀燃烧又会导致燃气密度分布不均匀,从而影响喷管入口处质量通量分布。二者均会造成入口燃气流动非均匀性,这是引起喷管流场不均匀性的主要原因之一,直接影响发动机性能。以膨胀比为100的固体火箭发动机喷管为研究对象,改变入口处质量通量分布规律与入射方向,结合计算流体力学软件研究入口流场不均匀性对喷管内流场的影响规律。结果表明:当喷管入口质量通量呈抛物面分布时,入口的不均匀性对喷管内流场影响较小,在喷管喉部位置不均匀效应基本消除;由俯仰过载导致燃气非垂直入射时,喷管入口位置流场周向不均匀性高达23%;随着燃气充分膨胀,不均匀效应减弱,在喷管扩张比达到92.8时,流场基本均匀,但是在有限扩张比条件下由入射角度导致的流场不均匀效应无法完全消除。

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器(micro-cathode arc thruster,μCAT)具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。

固体火箭发动机声燃烧不稳定抑制方法综述

燃烧不稳定长期困扰着固体火箭发动机的研发进程。针对固体火箭发动机出现的声燃烧不稳定问题,从增大声能损失、减小声能增益以及改变发动机声腔模态的固有频率三个角度出发,阐述了燃烧不稳定抑制方法的基本原理;同时,从工程应用角度将抑制方法分为调整固体推进剂配方、改变发动机结构以及装配抑制机械装置三类,详细介绍并总结了燃烧不稳定抑制方法及国内外相关的工程应用实例,并分析了复杂飞行状态下固体发动机燃烧稳定性的影响因素。通过分析相关案例,有助于针对不同类型的压力振荡设计有效的抑制手段,从而为研究人员提供相关设计依据与参考。

超(超)临界机组给水最优运行工况研究

超(超)临界机组发电效率高,碳排放低,是我国火电机组发展的主力,对其给水运行工况进行优化具有重要指导意义。通过就地取样试验研究了超(超)临界机组不同给水运行工况的最优控制指标,研究了给水取样间集中取样对给水水质的影响,开发了给水运行工况智能化控制系统。结果表明:AVT(O)工况下给水电导率的最优目标值为6.7μS/cm,OT工况下给水氧质量浓度的最优目标值为15μg/L,给水电导率的最优目标值为3.0μS/cm;较长的给水取样管路会造成铁腐蚀产物的沉积,干扰对机组腐蚀情况的判断;给水加氧产生的铬酸根离子只与取样管的氧化溶出有关,与水汽系统无关。

微阴极电弧推力器导电薄膜状态实验研究

为填补微阴极电弧推力器(Micro Cathode Arc Thruster,μCAT)导电薄膜状态有效评估手段的缺失,深入研究导电薄膜退化规律,本文基于四探针电阻率测试理论和尺寸效应拟合模型,建立了μCAT推力器导电薄膜状态表征方法,运用该方法探究了不同放电次数下样机薄膜参数的变化规律。研究表明随着放电次数的增加,薄膜电阻率上升,薄膜特征厚度减小,受二者变化的影响,薄膜电阻呈现指数上升趋势,其中厚度变化的影响大于电阻率的影响。对于金属Ti薄膜,块状电阻区和尺寸效应区的分界线在2μm左右,厚度大于5μm时推力器会由于短路失效,厚度处于0.012~2μm时为推力器的稳定放电区,这一区域处于尺寸效应区且电阻持续上升,当厚度小于0.012μm时薄膜电阻超过1000Ω并急剧上升直至推力器断路失效。导电薄膜状态评估方法是将实验测量数据和理论模型相结合计算得到导电薄膜的状态参数,通过实验验证了其有效性,可以为未来通过导电薄膜状态表征来评估μCAT寿命提供技术支持。

耦合尾喷管堵盖运动的水下固体火箭发动机点火启动过程特性

为研究水下固体火箭发动机点火启动过程的流场特征与工作特性,对尾喷管堵盖分离约束下的点火燃气泡演化过程进行数值模拟。采用流体体积多相流模型与动网格技术,建立耦合喷管堵盖运动的水下燃气射流仿真模型。对点火初期燃气泡形貌瞬态演化和流场参数的振荡特性进行分析,揭示变深度下发动机点火的初始推力脉动特征及形成机制。研究结果表明:点火开盖初期压差驱动堵盖强烈地冲击液相,尾壁空间产生高压区形成初始推力峰;点火深度越深,燃气泡沿轴向的增长速度越慢、长度越短,颈部出现收缩时刻越提前,流场参数和发动机推力的脉动特性越强;深水下燃气泡颈部收缩后,发动机喷口激波系出现往复振荡,导致尾壁空间产生压力振荡形成多个脉动推力峰,激波系的不稳定运动是推力出现脉动的主导因素。

固体火箭发动机内弹道多参数辨识及精准预示方法

提高固体火箭发动机内弹道性能的预示精度对提升火箭导弹工作可靠性有着重要意义。实践中常根据发动机实测压强数据反算燃面,并结合实测燃速进行内弹道预示,其在预示精度上仍有较大优化空间。针对该问题,提出了一种发动机内弹道多参数辨识及精准预示方法,基于有限次试车实测数据,通过遗传算法对燃速系数、压强指数、推进剂密度和喷管喉衬烧蚀速率系数开展初步辨识,基于辨识结果逆向反算出燃面数据并更新模型,再开展二次辨识对关键参数进行修正。以美国C1xb型发动机和国内某型长通道发动机为案例进行计算分析,对发动机内弹道性能进行预示。计算结果表明,该方法所得预示结果与实测压强数据高度吻合,验证了该方法对提高内弹道性能预示精度的有效性。

高马赫数飞行条件下超燃冲压发动机燃烧组织方案数值模拟

针对高马赫数飞行条件下(Ma=8,其中燃烧室内流马赫数为3.88)超燃冲压发动机燃烧组织方案的优化问题,采用三维可压缩雷诺平均(RANS)数值模拟方法对采用不同燃料喷射角度和凹腔后倾角的燃烧方案进行了数值模拟研究。结果表明:高马赫数下燃烧主要集中在凹腔和燃烧室近壁区,随着燃料喷射角度的增大,燃烧反应更加剧烈;增大燃料喷射角度和减小凹腔后倾角能提高混合效率,从而提高燃烧效率,燃烧也更充分,但是燃烧引起的总压损失也会相应地提高;高马赫数条件下发动机内流阻力很大,大约是发动机净推力的7~8倍,而增大喷射角度和减小凹腔后倾角有利于提高发动机的推力性能,其中采用135°的逆向燃料喷入方案获得的正推力最大,此时燃烧位置相对靠前,有利于燃烧室设计尺寸的小型化。

横向过载下锥孔三维药柱的内弹道特性

高空中作机动飞行的导弹易出现内弹道异常,严重时可能导致飞行任务失败。为了分析内弹道异常机理,对横向过载下发动机内弹道特性展开研究,进行过载下丁羟三组元推进剂燃速测量试验,建立过载下该推进剂燃速模型;基于此模型,模拟锥孔三维药柱非均匀燃面退移,进行全程横向过载、短时恒定横向过载、短时振荡横向过载三种过载方式下发动机的内弹道特性研究。研究结果表明:横向过载会使燃烧室压强增加,绝热层暴露时间提前;振荡式过载产生的压强振荡频率与过载振荡频率一致;瞬间横向过载会使燃烧室压强发生跃迁,在100 g过载下,压强增加8%左右,过载消失,压强骤降;若受横向过载时间间隔一定,则导弹在压强稳定时做机动飞行更有利。

NOFBX推进剂技术的发展概况

氧化亚氮基单组元复合物(nitrous oxide fuel blend,NOFBX)推进剂具有绿色无毒、能量高、可深度节流以及自增压等优点,是一种有前途的新型推进剂。总结了NOFBX推进剂相较于传统推进剂的优势和不足,介绍了国内外在NOFBX推进剂研制、不同量级的发动机设计、发动机热试车、防回火研究和冷却研究等方面的发展现状,提出了NOFBX推进剂发展的关键问题。

大长径比固体火箭发动机一阶纵向不稳定燃烧判据

为尽可能在设计阶段规避大长径比、管型内燃药柱固体火箭发动机的纵向中低频燃烧不稳定现象,基于燃烧不稳定线性理论,考虑燃烧室内的压力耦合响应、喷管阻尼、微粒阻尼对声能振幅增长率的影响,提出了一阶纵向不稳定燃烧设计判据。这一设计判据选取药柱长度、喷喉直径等参数作为设计约束来计算发动机一阶纵向燃烧稳定性的判据参数Aim,再通过工程估计等手段获得反映固体推进剂燃烧响应特性的参数k b:当Aim<k b时,即认为发动机由线性稳定转为一阶纵向线性不稳定。将这一判据应用于某小型试验发动机,计算得到的不稳定现象发生时间与试验分析所得时间误差不超过6%,验证了这一判据在大长径比固体火箭发动机燃烧稳定性预估以及发动机设计领域的适用性。

固体火箭发动机中铝粉燃烧研究概述

介绍了固体火箭发动机中单个铝颗粒燃烧模型的发展与铝颗粒的燃烧特性;阐述了铝粉分布燃烧现象、分布燃烧放热与声场的耦合关系及其对发动机稳定性的增益作用;总结了惰性颗粒的阻尼理论以及在表面旋涡脱落条件下惰性颗粒对压强振荡的放大作用;提出了应从复杂流场中全面考虑铝粉燃烧对发动机的增益与阻尼作用,建立其对发动机工作稳定性影响的综合判据的观点。

固体火箭燃烧室内微粒分布的实验研究

介绍一种实时脉冲取样器用于测定团体火箭燃烧室内凝相微粒尺寸分布技术。实验结果表明：含铝推进剂微粒呈二模态或三模态分布，燃烧室内压力大，微粒趋大；燃烧室压力很小，微粒亦趋大，有一最小尺寸的压力值。残渣影响微粒尺寸测量，而推进剂燃烧特性将直接影响着微粒尺寸分布。