地面效应对火箭橇发动机尾喷管流场特性的影响研究

基于火箭撬地面试验的需要,设计了大载荷高加速的短轨火箭橇动力系统,并对地面效应对火箭发动机尾喷管流场的影响进行了理论和试验研究。文中采用FLUENT计算软件对不同条件下的火箭发动机尾喷管外流场进行了三维数值仿真,分析了单枚火箭以及双枚火箭工作时,地面效应对发动机尾喷管流场特性的影响。本文研究的大载荷高加速的短轨火箭撬动力系统,地面效应的影响和双尾喷管之间的相互作用都是在1.5ms时开始显现,在2~3ms时比较明显,在5~20ms开始减小,最后形成稳定的尾部流场。对于喷管出口直径275mm、轴线距离地面不小于472mm和双喷管轴线距离不小于680mm的火箭橇动力系统,在火箭橇运动起来20ms之后,地面效应影响和双火箭发动机之间相互作用变得非常小。

点火药盒开孔大小对点火燃气内流场特性影响

为了保证阶梯多根的装药设计形式的火箭发动机点火过程的安全性与稳定性,研究了不同开孔大小点火药盒的火箭发动机点火过程的流场特性。采用FLUENT计算软件对不同开孔大小点火药盒的火箭发动机点火过程的内流场进行了三维数值仿真,分析了点火药盒开孔大小对点火过程流场特性的影响。不同开孔大小点火药盒的输出压强都大约在4 ms时达到最大,开孔面积占点火药盒端面积百分比为2.5%、3%、3.5%的3种工况分别对应的最大输出压强约为54.8 MPa、44.6 MPa、32.9 MPa;3种工况下燃烧室压强达到6 MPa时为推进剂点燃的压强,开孔面积百分比2.5%的点火药盒为6.6 ms,开孔面积百分比3%的点火药盒为7.1 ms,开孔面积百分比3.5%的点火药盒为8.2 ms。点火药盒开孔面积越小,所对应的输出压强越大,所需要达到推进剂点燃压强的时间越短。研究结果可为类似结构的固体火箭发动机点火试验点火药盒的设计提供参考。

带侵蚀燃烧效应的阶梯多根装药火箭发动机三维内流场特性

为研究阶梯多根装药火箭发动机的内流场特性,采用Fluent计算软件对侵蚀比和平均侵蚀比两种内流场模型分别进行全三维数值模拟。基于自定义函数接口编程进行二次开发,提取侵蚀比模型每个节点的坐标和压强以及平均侵蚀比模型每个燃面的平均压强,导入燃速公式和质量流率公式,来控制边界网格的移动速度和单位面积燃气进口质量流率。通过数值模拟得到两种内流场模型各个时刻的压强空间分布信息以及燃烧室前、中、后3个监测点的压强-时间曲线,对比两种模型的计算结果,着重对侵蚀比模型的内流场和药柱内外压强差进行分析,并与试验结果进行对比。结果表明:两种模型最大压强差不超过3%,在平衡压强段后基本一致;侵蚀比模型在发动机工作过程中药柱没有出现明显的侵蚀燃烧喇叭型,前级高压区药柱内外压差最大不超过3.9%,在后级低压区药柱内外压差最大不超过8%;3个监测点的压强-时间曲线与试验数据吻合度较好;研究结果可为类似结构的固体火箭发动机数值模拟提供参考。

基于阶梯多根装药的固体火箭发动机内弹道设计方法研究

对于大长径比的固体火箭发动机,采用阶梯多根装药结构设计,可以增加推进剂的燃烧面积,提高发动机的做功效率。针对两段阶梯多根装药结构设计方案,总结出了固体火箭发动机内弹道设计方法;并以某工程项目为背景,完成了火箭发动机的结构设计及装药结构设计,给出了两段阶梯的装药结构、点火药装填方式以及燃烧室和喉部结构尺寸;进行了试验验证分析,表明固体火箭发动机的设计方案完全达到了设计指标要求。在膛压不大于16.8 MPa的情况下,实现了最大推力251.5 kN,持续推力168.7 kN,总冲量大于160 kN·s,工作时间小于900 ms,点火正常,膛内压力稳定。证明了内弹道设计方法的有效性,为阶梯多根装药火箭发动机的总体结构设计和装药结构设计以及开展性能研究工作提供了重要的试验依据。

阶梯装药火箭发动机多点点火燃气内流场研究

在阶梯装药结构的大型固体火箭发动机中,采用多点点火技术对火箭发动机装药的正常燃烧推力性能的稳定至关重要。本文建立了点火药盒内点火药燃烧过程的经典内弹道模型,采用Fluent软件,对不同点火药盒数量和不同的放置位置(即以点火药量330 g采用头部及中部同时点火,以点火药量400 g采用头部及中部同时点火,以点火药量330 g采用尾部及中部同时点火,以点火药量为400 g尾部及中部同时点火等4种工况)的点火药燃气流入推进剂药床中的流动过程及内流场的流动特性进行了数值仿真计算。研究结果表明,针对头部与中部以330 g及400 g药量点火,其点火燃气的内流场特性,数值计算结果与试验计算结果基本一致;在4种工况中,头部与中部同时点火的结构点火效果优于尾部与中部同时点火的结构,可以较快地形成均匀一致的点火压力分布,有利于提高推进剂点火的同步性与均匀性。