复合推进剂中铝粉粒度对分布燃烧响应和粒子阻尼特性影响

针对不同初始铝粉粒度的含铝复合推进剂,对其燃烧产物粒子阻尼特性和铝粒子分布燃烧响应特性进行了试验研究。试验结果表明:粒子阻尼的大小取决于流场中的凝相燃烧产物粒径分布和振荡频率,与推进剂中铝粉初始粒度基本无关;粒子阻尼预估方面,采用单一粒径预估的阻尼值与实际测量的阻尼值相比,仍存在一定的误差(>10%),需要进一步改进;分布燃烧响应方面,在同一振荡频率范围内,分布燃烧响应特性与复合推进剂中初始铝粉粒度有关,即初始铝粉粒度越大,在燃烧过程中产生的分布燃烧增益越大,这对于发动机燃烧的稳定性是十分不利的。

数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。

基于T型燃烧器的非线性不稳定参数分析

基于脉冲触发T型燃烧器技术,对T型燃烧器内的平衡压强上升(DC Shift)和初始极限幅值进行测量,获得DC Shift、初始极限振幅以及压强耦合响应函数(Rp)三者之间的相互关系。实验结果表明,T型燃烧器中可测量得到推进剂燃烧产生的平衡压强上升现象,且与初始极限振荡幅值的二次方成正比;推进剂配方对DC Shift影响较大,即压强耦合响应函数值越高,推进剂燃烧产生DC Shift越大;推进剂压强耦合响应函数、初始极限幅值和DC Shift三者之间存在一定的耦合关系,这一结果与Flandro的平衡压强上升理论基本一致。

固体推进剂速度耦合响应函数测量实验方法研究

为获得固体推进剂速度耦合响应特性,基于T型燃烧器测量技术,建立了一种测量含铝复合推进剂速度耦合响应函数的实验方法,并在工作压强为6.5MPa和振荡频率约为175Hz条件下,开展了响应特性实验研究。实验结果表明:速度耦合与压强耦合有明显的不同,压强耦合在整个振荡区域内均表现出增益作用,而速度耦合在不同振荡区域内可表现出增益作用,也可以表现出抑制作用;在本文的工况参数条件下,速度耦合响应函数值远大于压强耦合响应函数值。在固体火箭发动机非线性燃烧不稳定中,速度耦合响应是不可忽略的重要影响因素。本文所建立的实验方法能在测量速度耦合响应函数的同时获得压强耦合响应函数,可更好地分析固体推进剂的燃烧响应特性。因此,该方法为分析固体火箭发动机非线性燃烧不稳定问题提供了重要的实验手段。

AP多粒度级配固体推进剂非稳态燃烧响应模型

为获得高氯酸铵(AP)粒度级配对固体推进剂燃烧响应特性的影响,以氧化剂单粒度的多火焰稳态燃烧模型(BDP)为基础,考虑实际推进剂中AP多级配粒度分布,建立了AP多粒度级配的AP/端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂非稳态燃烧响应模型,并对模型进行校验。针对由四种AP粒度330,250,110μm和50μm组合成的几十种AP多级配复合推进剂,分别在工作压强10MPa、振荡频率25~1000Hz条件下开展了燃烧响应特性研究,分析了AP粒度级配和配比等参数变化对压强耦合响应函数的影响规律。模型计算结果表明,100~1000Hz,燃烧响应模型计算结果与文献实验测量结果吻合较好(实验压强>5MPa),误差小于9%。AP粒度配比与级配对燃烧响应函数的分布影响较大,影响规律基本满足:AP多级配中提高小粒度AP的配比含量或者降低大粒度AP配比含量可以抑制中低频振荡,但同时会增益中高频振荡。用中粒度AP替代小粒度AP可以抑制中高频振荡,反之,替代大粒度AP则可以抑制中低频振荡。

固体推进剂非线性压强耦合响应特性实验研究

为获得固体推进剂非线性压强耦合响应特性,建立了一种非线性压强耦合响应函数的实验测量方法,分别对三种含铝复合推进剂开展了非线性压强耦合响应函数(Rp)的实验研究,获得了推进剂非线性压强耦合响应特性,深入分析了非线性压强耦合响应的影响因素。结果表明,提高触发激励压强以及改变触发激励方式,可以在T型燃烧器中模拟与实际发动机非线性燃烧不稳定相类似的非线性压强振荡特性,从而获得固体推进剂非线性压强耦合响应特性。非线性压强耦合响应函数对轴向各阶频率振荡幅值的变化较为敏感,峰值频率附近的响应值对振荡幅值的变化最为敏感,响应值变化最大,其中响应函数峰值从0.4增大到1.12。中间位置触发激励产生的二阶频率响应值与线性法长度减半对应的一阶频率响应值有明显的不同,进一步验证了线性法和非线性测量结果本质区别。

固体火箭发动机燃烧不稳定研究进展与展望

围绕固体火箭发动机燃烧不稳定的研究现状及未来发展趋势进行了探讨。为了深入认识固体火箭发动机中的燃烧不稳定现象,并形成对其进行准确预示和有效抑制的方法,需要解决理论、计算及实验多方面的基础问题:燃烧不稳定的物理机制,不稳定的预示方法,发动机中各种增益和阻尼因素的特征,振荡增长过程中触发和极限环形成的机理,不稳定抑制技术及地面实验的等效分析方法。最后给出了总结与建议,明确了固体火箭发动机燃烧不稳定研究的目标和方向。

复合推进剂中铝燃烧实验研究

采用长焦显微镜头和高速相机组合的光学拍摄方法,研究了不同压强下含铝复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程。分别在1MPa,3MPa和5MPa充满氮气的燃烧实验器中进行了实验。在3MPa和5MPa实验中,通过在镜头前增加不同透射率的中性密度滤波片解决了因铝滴燃烧发光过强导致相机成像过度曝光的问题。通过测定拍摄过程中相邻两张图片中同一粒径铝滴在不同位置,计算了不同粒径铝滴的随流运动速率。小粒径随流运动速率快,大粒径随流运动速率慢。实验中还得到了不同粒径铝滴在推进剂燃烧表面的团聚形成时间。1MPa实验下,200μm和150μm粒子的团聚时间分别约为8ms和6ms;3MPa下,300μm和200μm粒子的团聚时间分别约为5ms和3ms;5MPa下,300μm和150μm粒子的团聚时间分别约小于3ms和1ms。随着压强的增大,同一粒径团聚物的团聚时间缩短。在同一压强条件下,粒径越小的铝团聚物其所需团聚时间越短。

战术导弹固体发动机燃烧不稳定研究概述

介绍了大长径比战术导弹用固体发动机中产生的燃烧不稳定,分析了燃烧不稳定产生的机理,总结了国外典型的实验研究情况及其主要结论,以及国内固体发动机燃烧不稳定的状况。结合最新的研究进展,对燃烧不稳定的影响因素开展了深入分析:分析了声涡之间的耦合作用,重点讨论了声对涡的调制作用;分析了推进剂压强耦合对燃烧不稳定的影响,讨论了压强耦合响应函数的测试方法及其与推进剂配方之间的关系;分析了金属的分散燃烧及其凝相燃烧产物对燃烧不稳定的增益和阻尼作用。针对诸影响因素,提出了进一步的研究建议。

两种含铝复合推进剂压强耦合响应的实验对比

基于T型燃烧器双脉冲外部激励的方法,对2种含铝HTPB复合固体推进剂开展对比实验研究,分析比较其压强耦合响应特性的差异。在7 MPa条件下成功地开展了4次试验,获得了2种推进剂在T型燃烧器中的衰减常数和燃面增益常数。结果表明,由于推进剂配方中AP粒径分布存在差异,这2种推进剂的压强耦合响应常数存在差别。其中小粒径AP含量较多的推进剂更易产生不稳定燃烧现象。这一实验现象与发动机真实工作情况的表现是一致的。2种推进剂的凝相燃烧产物在发动机中的行为也表现出较大差异。

复合推进剂中铝的燃烧实验研究方法

为研究AP/Al/HTPB复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程,采用了长焦显微镜头、单反相机和高速相机组合的光学拍摄方法。通过常温常压实验拍摄,获得了铝在燃面处脱离及随流运动中铝液滴燃烧的宏观过程图像。在0.3 MPa密闭实验器中,使用长焦显微镜头和高速相机对单个铝滴进行了拍摄,通过标定计算得到了其直径和随流运动速率,确定了该方法是可行的,为下一步开展高压实验研究提供了手段。

固体火箭发动机径向加质流局部稳定性分析方法研究

应用局部非平行流动稳定性理论研究了大长径比固体火箭发动机内的表面涡脱落现象。分析了由主变量公式和流函数公式导出的扰动方程的差异,以及流动参数对稳定性的影响,发现两种扰动方程对最不稳定波频率的预估值小于2%,且该频率沿流向逐渐增加。比较了基于空间发展模式的理论结果与大涡模拟计算结果,发现在不发生共振的情况下,理论方法可以较好地预估发动机内的流动不稳定频率。

固体推进剂非线性压强耦合响应特性分析

为获得多阶声模态振荡共同作用下的压强耦合响应函数特性,考虑固体火箭发动机中多阶声模态振荡的非线性燃烧不稳定特点,在线性均质推进剂准稳态分析模型(QSHOD)的基础上,建立了二阶声模态作用下的非线性压强耦合响应模型,并对模型进行了理论分析和定性的实验验证。模型分析结果表明,基频振荡幅值对压强耦合响应函数特性影响较大;随着基频振荡幅值的增大,压强耦合响应函数由线性变为非线性,响应函数从单峰变成双峰,在高频区域形成非线性响应函数峰;在基频振荡的同时,二阶模态振荡使得响应函数的非线性特性更加显著,对非线性响应函数峰值影响较大。该模型结果与典型T型燃烧器实验结果基本相同。

点火载荷下翼柱型装药结构完整性数值分析

针对固体火箭发动机翼柱型装药在点火载荷下结构完整性问题,提出了一种考虑三维损伤黏弹性本构性的数值模拟方法。基于商业有限元软件的二次开发平台,编写用户子程序,展开有限元数值计算,获取翼柱型装药在固化降温、点火载荷下装药结构的应力、应变与位移场分布。结果表明,在温度载荷与点火载荷下,药柱内表面变形模式是不同的。然而,不管在温度载荷或点火载荷下,在翼槽处装药Von Mise应力与Von Mises应变高于其他部位。此方法可应用于固体火箭发动机装药结构完整性安全评估。

基于collocation方法的Taylor-Culick模型流动稳定性的特征向量分析

对于固体火箭发动机中产生的流动不稳定现象,需要利用简化模型进行分析,目前最符合实际的简化模型为Taylor-Culick流模型。采用稳定性理论对轴对称的Taylor-Culick模型进行数值计算时,由于对称轴处径向坐标为零而带来奇性,以往的数值计算方法难以处理。采用一种配置微分矩阵的方式来改进算法,避免柱坐标所带有的奇性对数值计算的影响。对固体火箭发动机Taylor-Culick流动模型进行了局部稳定性计算,得到了一致的结果。分析了特征向量随计算参数的变化,发现频率、雷诺数与特征向量的形态变化有直接关系,且特征向量的变化代表着特定情况下流动区域振荡发生的范围与形式,这些流动不稳定的局部特征从细节上反映了整体流动对应于不同流动参数的状态。

固体火箭发动机径向加质圆管模型流动稳定性的参数分析

利用径向加质圆管Taylor-Culick流动模型,基于谱配置方法,研究了固体火箭发动机流动稳定性。分析了不同参数(侧向注入雷诺数和长径比)变化对固体火箭发动机空间稳定性的影响。研究表明,侧向注入雷诺数影响不稳定模态由基频到高频的排列,不同长径比对流动不稳定的放大效果有明显的不同,并通过频率、环向空间波动与轴向空间波动的关系,分析了径向加质圆管流动不稳定的物理特性。

振荡环境下多层三明治模型火焰波动特性研究

基于OpenFOAM计算平台,针对发动机振荡环境下AP/HTPB复合推进剂微观火焰的燃烧波动特性开展了数值计算研究。由于传统的三明治模型并未考虑相邻火焰之间的影响,因此本文采用多层三明治构型,在平均压强5.7 MPa、振荡频率323 Hz、压强振荡幅值为0.2 MPa、质量比α_(AP/HTPB)=7/3的情况下,开展数值模拟和分析工作。结果表明,基于OpenFOAM的建立的数值模拟方法,可获得发动机振荡环境下AP/HTPB三明治模型火焰的波动特性,包括火焰高度、火焰摆动角度、对近燃面气相区域的热反馈等参数的变化。对比分析表明,相邻火焰会对彼此的火焰波动特性产生影响,多层三明治模型对推进剂细观火焰的描述更加合理。

声振荡作用下推进剂铝颗粒团聚特性实验研究

为获得压强振荡对推进剂燃烧表面铝颗粒团聚特性的影响,建立了声振荡作用下铝颗粒团聚特性实验测量装置和方法,采用高速显微成像技术和激光全息技术同步测量的方法,对HTPB四组元推进剂在有、无声振荡作用下的铝颗粒团聚特性进行了实验研究。研究结果表明,在340 Hz声振荡作用下,铝颗粒火焰呈现与声振荡频率相一致的周期性摆动,颗粒微观形貌发生明显的形变;受声场力的作用,小尺度颗粒(40~80μm)团聚作用减弱,中等尺度颗粒(100~260μm)团聚作用加强,且更容易发生融合等现象,从而改变了推进剂燃烧表面及近表面铝团聚颗粒粒度分布(0~3 mm),团聚粒度及团聚分数均增加。所建立的实验方法可为研究压强振荡作用下推进剂铝团聚特性提供有效的实验技术和数据参考。

非线性燃烧不稳定振荡幅值演化特征信号辨识方法研究

固体火箭发动机非线性不稳定压强振荡信号存在明显的多阶模态共存现象,且各个模态幅值随时间变化特性不同,模态之间存在振荡能量的传递与演化过程。为研究非线性燃烧不稳定模态间能量传递的演化规律,首先需要对振荡信号进行准确的模态分解。基于变分模态分解(VMD)方法,提出了一种可用于固体火箭发动机非线性不稳定振荡信号的自适应模态分解方法SPSO-VMD,解决了传统VMD方法无法自适应问题,在提高信号分解精度的同时极大的降低了计算时间。基于该方法,对典型的非线性燃烧不稳定信号的各阶模态进行了分解和分析。结果表明,该方法能准确地获得非线性燃烧不稳定振荡信号中各阶模态的频率和幅值,频率误差为0,幅值误差小于0.5%。最后,将该方法应用于真实发动机振荡数据获得了各阶模态幅值信息,为后续各阶模态之间能量传递演化研究提供了关键、准确的数据支撑。

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数(1.1倍和2.7倍)的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明:在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm^200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm^900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。