固体燃料空气涡轮火箭发动机工作模式

根据SP-ATR目前存在的燃气难以兼顾清洁和富燃的问题,文章提出将原本由1股燃气单独承担驱动涡轮和补燃功能的工作模式分解为由2股燃气分别担负驱涡和补燃功能的工作模式。通过对比分析该工作模式的SP-ATR和固冲发动机、涡喷发动机工作特点,提出了适合该形式SP-ATR的性能计算模型,得到其飞行包线,发现该SP-ATR工作包线宽广,可完全包含涡喷和固冲发动机的工作包线。在此基础上,计算得到了SP-ATR在不同空域和速度条件下的飞行性能及变化规律:(1)随飞行高度和速度的增加,其比冲、比推力增加,但性能随外弹道变化幅度较小,整个工作范围性能稳定;(2)在近地面和低空SP-ATR均可实现低空亚音速盘旋和5 km高度以上的超音速飞行,且在比冲高于6 700 N.s/kg,同时保持比推力大于1 100 N.s/kg;(3)高空SP-ATR工作高度速度范围宽,比冲性能与冲压发动机相当,比推力为冲压发动机的2倍,相同飞行速度条件下飞行高度增加比冲增加、比推力增加,具有在更高高度巡航潜力,高空性能优势明显。

固体碳氢推进剂ATR二次燃烧特性实验研究

为了探索常温来流条件下补燃室稳定燃烧的工作条件,设计并加工了一套专门用于研究掺混燃烧的试验装置,验证了模拟落压机构的效果,探索了只有简单掺混器状态下碳氢推进剂的二次燃烧特性。实验发现,只有简单掺混装置的情况,在比冲较优空燃比状态下未能实现二次燃烧,因此在发动机参数设计中不仅要考虑比冲性能还要兼顾可燃条件;实验中采用的固体碳氢推进剂在直接掺混方式下稳定燃烧的空然比上限为4.4左右;简单掺混方式燃烧效率不理想,今后需要探索适合碳氢燃料的火焰稳定器和增强掺混燃烧方法。

固体燃料ATR涡轮/压气机匹配方法研究

为了获得固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)中涡轮和压气机的匹配工作特性,建立了涡轮和压气机的工作特性模型,根据SP-ATR转速、功率和背压平衡的工作特点,分别基于涡轮和压气机的工作环境先后采用两种不同的方法完成了二者的匹配。对比两种匹配方法得出结论:(1)基于涡轮的匹配方法与转速稳定过程一致,可确定特定飞行环境中发动机的转速;(2)基于压气机的匹配方法需要条件更少、适用范围更广,可用于特定转速调控方案下驱涡燃气流量的确定。两种匹配方法的计算结果相对Ax STREAM仿真结果的最大误差为10.75%,两种匹配方法的计算结果相差不超过8%。将建立的匹配方法应用于HARM弹自主爬升飞行过程,得到SP-ATR驱涡燃气流量的定量调控规律。

固体燃气涡轮火箭发动机掺混燃烧实验方法

为研究固体燃气涡轮火箭发动机(SP-ATR)补燃室掺混燃烧规律,建立了一种采用多喉道喷管进行落压模拟的补燃室掺混燃烧实验方法,并利用该方法开展了典型工况下的地面直连实验研究,获取了流道内压强、温度分布、发动机推力等参数。结果表明,文中建立的补燃室掺混燃烧实验方法切实可行;两级喉道喷管可较好实现落压模拟功能;典型工况下补燃室燃烧效率、发动机性能较好;圆孔型掺混器流通面积较为合适,但对补燃室中段温度分布改善有限,为获得较优的发动机性能,还需进一步就掺混燃烧组织方式开展优化研究。

固体燃气涡轮火箭发动机燃烧组织优化研究

为探索固体燃气涡轮火箭发动机(SP-ATR)较优燃烧组织方式,在分析地面直连实验补燃室二次燃烧问题,利用地面直连实验结果进行数值方法精度校核后,开展了典型工况下适宜燃烧组织方式初选。在此基础上,选择了一种基于替代模型的渐进优化方法,获得了改进V型掺混器的较优构型。结果表明,建立数值方法可反映流道内真实流动状态;V型掺混器结构较为适宜;文中确定的渐进优化方法稳定可靠,获得的掺混器优化构型性能较理想,比冲较直接掺混方式增加约13.50%;现有圆孔、六叶花2种形式掺混器的结构不合理。

基于等换算转速调节的涡轮增压固冲发动机非设计点性能研究

为了得到优良的涡轮增压固冲发动机(TSPR)的非设计点性能,提出了等换算转速、等余气系数的调节规律,通过确定TSPR非设计点共同工作过程,建立了TSPR非设计点性能模型。以高空高速(22km,Ma3.64)为设计点,计算和分析了0km,5km,10km,15km高度下TSPR的非设计点性能。结果显示:当采用等换算转速和等余气系数的调节规律时,TSPR非设计点工作范围宽广,具有良好的非设计点性能,最大推力是最小推力的3倍左右,最大比冲超过800s;在(10km,Ma2.5)的非设计点,通过调节转速,可以获得1.55倍的推力调节比和稳定的比冲性能;最后得出:提高转速,增加飞行速度,提高富燃流量驱涡流量比是增强TSPR性能的有效途径。

固体燃料空气涡轮火箭发动机方案和技术研究

针对固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)的工作特点,提出了双燃气发生器的加力工作模式,并根据总体性能要求确定了部件的工作参数。主要采用数值模拟和实验研究相结合的手段,分别针对压气机和涡轮部件开展了气动设计和增压装置集成,获得了工作特性,并完成了增压系统工作特性的冷流实验验证。开展了考虑涡轮后低温旋流条件下多股气流的高效掺混燃烧研究,通过研究涡轮转速、空气入射角度、补燃室富燃燃气流量和富燃燃气射流位置对燃烧效率的影响,确定了原理样机和关键部件的恰当形式和布局方式。最终开展了原理样机的地面热试实验,验证了双燃气发生器的SPATR发动机的工作原理,热试实验结果表明燃气涡轮增压装置工作可靠,性能满足设计要求,其中压气机压比达到了3.3,转速为82kr/min,补燃室燃烧效率为85.21%。

TSPR涡轮增压器出口方式对掺混燃烧的影响

针对涡轮增压器出口气流进入涡轮增压固冲发动机(Turbocharged Solid Propellant Ramjet,TSPR)补燃室后,因同轴流动而造成掺混燃烧效率不高的问题,通过对比研究ATR(Air Turbocharged Ramjet)及固冲发动机掺混燃烧增强手段,形成了一种可有效增强TSPR补燃室掺混燃烧效果的方案。继而通过数值模拟的手段对该方案的有效性和内在机理进行了讨论。最后通过TSPR工作模式的数值模拟,发现在不同富燃燃气余气系数状态下补燃室效率均能保持90%以上,验证了该方案的有效性和适用性。根据这些研究,该文认为保留驱涡燃气高速旋流配合增压空气采用一定射流角度进入燃烧室的出口流动方式能够使TSPR补燃室有效工作,燃烧效率相对原有ATR模式能够提高1倍以上;其中涡轮的旋转速度高于40 000 rpm时,经过涡轮膨胀做功的驱涡燃气使发动机比冲和补燃室温度分布情况都比较理想;增压空气采用40°~50°的射流角进行斜向射流对发动机比冲性能提高和补燃室内温度分布改善是比较有利的。

基于角度约束松弛的固体ATR进气道改进设计

为满足高性能弹用固体ATR对入口流场品质的要求,对ATR进气道开展了总体构型论证和几何设计。从5个方面整体论证后,确定弹用固体ATR宜采用后置"X型"四旁侧二元倒置混压式进气道。超声速扩压段综合"给定总压恢复系数法"和"给定气流总转折角法"完成几何设计,避免了单一设计方法中人工调整压缩楔角引起的设计中断;亚声速扩压段采用"方转扇环"构型,有效减弱了"方转扇形"的几何扭曲和出口流场畸变。保证外压缩楔角不变情况下,通过减小内压缩楔角对混压式进气道"内外压缩楔角之和相等"角度约束加以松弛,以及其他辅助措施改进设计后,进气道长度缩短30.28%,抗背压能力、冲压比和总压恢复系数均提升50%左右,出口总压畸变减小55.35%,但流量系数因附面层吸除下降11.58%。

铵浸钢渣固化砷碱渣制备微晶玻璃

基于钢渣和二氧化碳综合利用的思路,本研究利用铵浸钢渣固化砷碱渣来制备微晶玻璃。其间对脱硫渣进行预处理,并加入高铝粉煤灰和碎玻璃调整原料成分,经高温碳热反应得到规整的饼状铁块,铁的回收率为99%左右,还原渣晶相均为透辉石和霞石。热处理后,基础玻璃完全转化为微晶玻璃,主晶相为透辉石和霞石,其砷浸出量均小于1 mg/L,达到固砷的目的。砷碱渣的加入明显提高了析晶活化能,晶体生长指数均小于3,其为表面析晶,需要加入形核剂转变为体积析晶。