基于3D打印的过氧化氢/煤油再生冷却推力室设计及试验

为了实现过氧化氢/煤油推力室关键技术的快速验证,开展了基于3D打印快速制造的推力室设计及试验。首先针对设计指标,充分利用3D打印零件少、连接强度高、结构质量轻等优点,完成过氧化氢/煤油推力室的设计;然后利用商用软件Fluent对设计方案进行快速燃烧数值仿真,获得设计工况推力室压强、温度、流线以及各组分质量分数分布等,并对燃烧性能进行分析,完成设计方案的优化;最后通过长程热试车对推力室的性能进行考核。结果表明:3D打印推力室结构可靠性高、冷却性能好、燃烧性能高,满足设计指标要求,相比于传统机械加工工艺,缩短50研制周期,降低40制造成本,减少50零件数量,减轻20质量。充分展现了3D打印技术在推力室关键技术验证阶段的周期短、成本低、可靠性高等优势。

过氧化氢/煤油双组元推力室催化分解点火研究

针对小推力过氧化氢/煤油推力室催化分解点火进行研究。作为过氧化氢/煤油双组元发动机的技术途径之一,还可扩展应用于催化分解点火火炬、补燃循环发动机中。推力室采用细颗粒催化剂床分解90%浓度过氧化氢(90%H_2O_2),分解的高温燃气使煤油雾化、蒸发和点火并且自维持燃烧。研究工作包括了催化剂床和气液喷注器的设计、单组元分解特性、双组元点火可靠性、工作效率及稳定性研究。试验中采用热容式燃烧室,催化剂床采用轮毂式分配板和多孔式床支板,并检验了不同结构的分解燃气与燃料喷射、混合情况。研究结果显示,催化分解点火可靠性高,工作稳定,燃烧效率在95%以上。

过氧化氢双组元发动机推力室研究

在过氧化氢发动机预先研究项目中,开展了过氧化氢/烃燃料(煤油)推进剂的自燃点火研究,包括自燃燃料开发、推力室设计及冷、热试考核。设计了25N、30N、50N和50kN推力量级的推力室。经热试车考核,点火平稳可靠,燃烧稳定,室压粗糙度小于±5%,燃烧效率高于92%,设计方案合理。

小卫星上的低成本40N过氧化氢/煤油双组元推力室研究

未来的小卫星将需要高性能的双组元推进系统,传统自燃推进剂由于其毒性和复杂的使用维护要求而使得成本极高。采用绿色推进剂可以降低使用成本,同时又能提供和传统自燃推进剂相当的性能。该文介绍了推力40N挤压式HTP(高浓度过氧化氢)/煤油双组元推力室的设计和加工。采用简单的喷注器结构,特征速度效率在90%～92%范围内。设计的新型冷却系统采用过氧化氢分解气体作为冷却剂,提高了密度比冲。发动机采用标准材料,以减少设计开发和制造成本。采用占总流量16%的过氧化氢分解产生气膜来冷却喷管,已经得到验证可适应连续工作的要求。采用上述方案,估计获得实际真空比冲2577m/s是可能的。

针栓式推力室冷却特性试验研究

针栓式发动机具有推力调节简单、声学燃烧稳定性好和成本低廉等一系列优点,但目前对针栓式推力室的冷却特性掌握还不够深入,研制过程中曾多次出现因推力室冷却组织不好而烧蚀的问题。采用针栓式推力室试验件,对身部的冷却特性进行了深入研究,结果表明:推力室圆柱段前端的温度较低,无需采用专门的冷却措施;末端内侧气壁温度会达到约1650℃,局部存在明显的烧蚀现象,必须采取有效的热防护措施;下游冷却液膜量的变化对圆柱段的冷却特性影响较小。

过氧化氢推力室技术研究

简述了过氧化氢作为火箭推进剂的优点,重点介绍了近几年陕西动力机械设计研究所在过氧化氢单组元推力室和双组元发动机推力室研制中取得的进展。设计了几种过氧化氢单组元推力室并进行了试验;进行了过氧化氢/煤油双组元火药点火试验;进行了催化点火技术的研究,27次点火试验全部取得成功;设计并生产了几种双组元推力室,对过氧化氢/煤油自燃点火技术进行了研究,累计进行了500余次点火试验;采用37kN推力室分别进行了90%过氧化氢/煤油的火药点火试验和自燃点火试验,试验获得了成功。

火箭发动机喷管分离流动仿真分析

采用数值方法研究在分离状态下的最大推力喷管流动状态,讨论了不同湍流模型对分离流动的影响,在此基础上详细分析了喷管流动中出现气流分离模态由自由激波(FSS)到受限激波(RSS)的变化情况。在稳态仿真基础上开展非稳态分析,并综合小波分析、结构有限元方法分析了侧向载荷影响。研究结果表明,喷管内压强脉动为低频脉动,该脉动频率范围与喷管固有频率有交叠,可为后续的喷管气流分离侧向载荷分析及验证试验提供基础。

双组元离心式喷嘴外喷嘴流动数值模拟分析

离心式喷嘴在火箭发动机中广泛应用,以往的研究中对双组元离心式喷嘴的外喷嘴流动特性研究较少,通过数值模拟方法研究外喷嘴流动特性。针对典型双组元离心式喷嘴结构,运用CFX软件数值模拟研究其外喷嘴的流动特性,获得喷嘴的典型流场结构,将数值模拟结果与试验结果对比,验证数值模拟方法的有效性。研究内喷嘴对外喷嘴流动特性的影响,获得内喷嘴直径、缩进长度对外喷嘴流量系数、雾化锥角的影响规律。数值模拟结果可以更详细的给出喷嘴流场特点及喷嘴流动特性,运用数值模拟方法可以更准确的指导喷嘴设计过程。