PATR发动机控制特性和最大状态控制规律分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)的最大状态(最大推力和最大比冲状态)控制规律,建立了PATR的稳态变工况模型,研究了控制量对发动机性能参数的影响特性,给出了在总氢流量一定的前提下,发动机的最优性能状态(推力和比冲同时达到最大)控制规律,在此基础上进一步分别得到了发动机的最大推力状态和最大比冲状态的控制规律,并分别给出了发动机处于最大推力状态和最大比冲状态下的飞行包线。结果表明:当总氢流量一定时,PATR发动机的推力和比冲将随主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积的增加而增大;给定总氢流量下的PATR发动机的最优性能状态控制规律为:核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,此时发动机的推力和比冲同时达到最大,发动机处于最优性能状态;当主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积一定时,推力随总氢流量的增加而增大,比冲与之相反;PATR发动机的最大推力状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地增加总氢流量;PATR发动机的最大比冲状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地减小总氢流量。

预冷组合发动机中波瓣混流器对氢气/空气掺混性能影响

波瓣混流器是一种典型的燃烧室气体混合装置,某预冷组合发动机燃烧室采用了波瓣混流器进行氢气/空气的掺混组织。为了获得不同波瓣混流器修型结构对氢气/空气的掺混性能的影响,分别采用导流结构和锯齿尾缘对波瓣混流器进行修型。通过开展数值仿真和对热混合效率公式的修正,从流场速度分布、流向涡和正交涡以及性能参数方面进行了掺混特性的对比分析。结果表明:导流结构对流场中回流区的分布具有显著影响,导流结构的平面面积越大,回流区范围越大;回流区范围增大会增加初始位置的内外涵速度差2.4倍到6倍,减小平均流向涡强度,增大平均正交涡强度,进而影响热混合效率,其中圆形导流结构在流动初期提高3%,后期降低5.9%;锯齿尾缘修型降低了热混合效率,其中三角形修型结构降低约2.8%,较其他结构最明显。

空气涡轮火箭发动机性能仿真分析

针对空气涡轮火箭(ATR)发动机展开研究,在建立发动机全系统数学模型仿真系统的基础上,研究不同推进剂组合对发动机性能影响,并采用发动机组件关键参数对推力比冲影响分析方法,确定发动机关键参数范围,结果表明:推力方面液氧甲烷(LOX/CH_(4))推进剂更具优势,比冲方面液氢液氧(LOX/LH_(2))推进剂具有很大优势。发现涡轮效率提高对发动机比冲增益最为显著,每提高1%涡轮效率比冲平均增加9.1 s;压气机效率的影响次之,比冲平均增加8.0 s。随着涡轮和压气机效率的增加,发动机比冲增加而推力下降;随着燃烧效率的增加,发动机推力和比冲均增加。

基于控制规律的PATR发动机典型工况点速度与高度特性分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR发动机)在最大推力状态下的部件匹配规律和系统性能特点,建立了PATR发动机的非线性变工况模型,确定了一种能充分发挥发动机推力性能和使其能安全稳定工作的控制规律,并研究了基于该控制规律的PATR发动机典型工况点的速度和高度特性。数值计算表明:保持氦涡轮转速和入口温度为最大允许值,确保主燃室余气系数不大于1.6和外涵冲压燃烧室余气系数不小于1.5,并使尾喷管喉部开度和空气压气机换算流量保持一定的关系时,PATR发动机处于最大推力状态,并能够在安全边界内工作;在控制规律的约束下,飞行条件的变化使得发动机工作状态点在确定的工作线上移动,决定发动机工作状态的重要参数按照一定的规律变化,因此控制量必须进行相应的调节以实现对发动机工作状态的控制。