可渗透喷管壁面开孔角度对推力性能影响的数值研究

可渗透喷管是一种新型的高度补偿喷管,能够实现自适应高度补偿,具有连续补偿能力,在单级入轨技术领域极具潜力。该研究对可渗透喷管流动进行数值模拟,描述了可渗透喷管流场特征及推力性能,探讨了可渗透喷管壁面开孔角度在30°~145°范围内变化时对喷管波系结构与性能的影响规律。结果表明,过膨胀状态下开孔角度过大或过小会影响喷管的补偿能力,在欠膨胀状态下开孔角度越小喷管的推力损失越小,落压比NPR=70.00时喷管的补偿效果最佳,推力系数可提升24.5%以上。依据最优全弹道性能原则,性能最优的开孔角度为30°。

可渗透喷管动态工作特性数值研究

可渗透喷管是一种新型的高度补偿喷管,能够实现自适应高度补偿,在单级入轨技术领域有重要研究意义。采用建立瞬态模型的方法对一定落压比范围的可渗透喷管进行数值模拟,通过动态分析,明确了可渗透喷管内部波系结构的生成及演化规律,并进行相关推力性能分析。研究结果表明:当NPR达到72.7时,喷管内出现无附着激波US。NPR较低时,US的产生机理为气动机理;NPR较高时,US的产生机理除气动机理外,还受到喷管壁面形状的影响。US激波起点在可渗透喷管内部时,喷管呈现推力补偿状态,反之则呈现推力损失状态。当NPR小于372.69时,可渗透喷管推力性能优于传统喷管。且可渗透喷管推力补偿最佳的工况是NPR等于70时,该工况下推力系数可提升24%以上。

可渗透壁自适应高度补偿喷管工作机理数值研究

提出了一种带有可渗透壁面的自适应高度补偿概念喷管(可渗透喷管),对该喷管的典型工作状态进行了数值模拟并对其高度补偿机理进行了解释。数值模拟结果显示,在低落压比条件下,外界大气透过喷管可渗透段进入喷管内部,抑制了喷管壁面处的回流产生,削弱了壁面处分离斜激波的强度,从而提高了喷管的低空推力性能。而在高落压比条件下,喷管内部燃气透过可渗透段壁面泄出,削弱了燃气的膨胀能力,使得喷管的高空推力性能有所损失。当可渗透喷管的低空推力性能提升幅度大于其高空推力性能损失时,喷管即具备了高度补偿能力。对喷管的推力构成分析表明,低落压比时,喷管可渗透段处外界大气流入所导致的喷管内压升高是其具有高度补偿能力的主要原因。基础扩张比的大小对可渗透喷管高度补偿性能影响显著,可渗透喷管比传统喷管的推力提升幅度最高可达34%,不同基础扩张比的可渗透喷管低空推力补偿能力相差最大25%。将不同基础扩张比喷管的高度平均比冲进行对比可发现,存在最优的喷管基础扩张比,该可渗透喷管高度平均比冲比传统喷管高度平均比冲高3%。

基于正交试验设计的可渗透喷管参数影响规律分析

利用正交试验设计方法,考察喷管关键设计因素对可渗透喷管工作性能的影响。针对喷管扩张比、基础扩张比、开孔角度、孔隙率、孔径等5个影响因素,通过对正交试验结果进行范围分析和极差分析,明确各影响因素对喷管性能的影响程度排序及其显著性水平。结果表明,低海拔工作环境条件会强化可渗透喷管推力性能对模型参数的依赖性和敏感度。在所选的参数水平下,基础扩张比是影响高度积分平均比冲最显著的因素,其次为喷管扩张比,而开孔角度、孔隙率与孔径对喷管性能影响程度较小。喷管扩张比、基础扩张比、开孔角度对喷管性能的影响存在单调函数关系,但孔隙率、孔径与喷管性能不存在单调函数关系。