诱导轮对高速液氧泵空化流场影响研究

高抗空化诱导轮可以改善液氧泵的空化特性,提高大推力火箭的可靠性。基于计算流体力学方法,建立了高速液氧泵的流动仿真模型,通过三组试验工况验证了模型准确性,研究了诱导轮叶片数对液氧泵性能和空化特性的影响。结果表明:使用诱导轮可以减小离心轮空化面积,代偿离心轮的汽蚀,提高液氧泵扬程;在入口流量和出口压力不变的条件下,增加诱导轮叶片数,液氧泵的效率增加,扬程降低,离心轮空化面积增加,诱导轮代偿离心轮汽蚀能力削弱。综合考虑液氧泵性能参数和空化特性,三叶片诱导轮能够满足大推力液体火箭的高可靠性要求。

基于无迹卡尔曼滤波的液体火箭发动机故障诊断

针对火箭发动机故障数据难以获取的问题,设计了一种基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的液体火箭发动机故障诊断算法。采用MATLAB/Simulink平台搭建了液体火箭发动机故障仿真模型,实现发动机正常运行仿真和预燃室氧阀门故障、氧主泵汽蚀、氢主涡轮叶片脱落3种故障仿真。将正常运行仿真值与设计值、试车值进行了对比。结果表明:模型参数与设计值最大误差不超过5%,仿真精度较高;仿真参数变化趋势与试车值基本一致,且稳态值误差较小。使用UKF算法求取发动机正常运行阈值范围,并对故障序列进行滤波处理,若故障数据连续3次超出阈值区间,且在0.1 s内有至少2个涡轮泵发出报警,则判定故障发生,故障发生时间为第2个涡轮泵报警时间。使用设计算法对3种故障序列进行诊断,判定故障发生时间分别为20.08 s、20.05 s、20.18 s。相比于传统红线阈值算法,文中所设计算法响应更为及时,且误报率较低。

嫦娥五号发动机降落羽流扬尘特性研究

在月球探测器着陆过程中,发动机羽流与月面相互作用后溅起的月尘是月面环境危害的主要来源。本文以嫦娥五号任务测试数据作为仿真入口条件,采用计算流体动力学(CFD)两阶段法建立了嫦娥五号任务中使用的喷管1∶1模型和真空羽流扩散侵蚀模型,研究了喷管在不同降落高度下的侵蚀速率,并计算了发动机距离月面高度为0.5~2.0 m范围时月尘颗粒的运动轨迹、扬尘角和速度特性。结果表明,基于剪切应力得到的最大侵蚀速率为8.83 kg/m^(2)s,随着高度增加,侵蚀速率降低,与嫦娥五号降落相机相同高度下的分析结果一致。粒径为1、70ìm的月尘颗粒最大扬尘高度分别为0.72、0.36 m,最大速度分别为2520、1010 m/s。不同粒径月尘的扬尘角范围为1.44°~2.27°,计算的扬尘角与Apollo探月任务中的结果相近。

热态壁面条件下的液膜冷却实验与仿真

为了获得射流流量和射流角对液膜铺展形态、壁面温度、液膜厚度的影响规律,设计并自主搭建了基于热态壁面条件的液膜冷却实验系统,开展了射流角为25°~45°、射流流量为200~400 mL·min^(-1)的液膜冷却实验研究。研究结果表明,随着入射角的增大,铺展长度减小,铺展宽度、扩张角增加;而在射流角一定时,随着液膜流量的增加,液膜铺展的长度、宽度和扩张角都有所增加。特别地,当射流角为25°、射流流量从300 mL·min^(-1)增加至400 mL·min^(-1)时,液膜长度最大增加量为20.94 mm,且增加射流流量能够有效降低壁面温度,当入射角为35°、液膜流量为300 mL·min^(-1)时,冷却前后壁面温度最大可降低141.81℃;液膜在壁面撞击点处有厚度峰值,且液膜流量越大峰值越高,当入射角为25°、流量为400 mL·min^(-1)时,最大峰值达679.32μm。采用流体体积法(VOF)构建了液膜冷却仿真模型,计算液膜的蒸发吸热、流动铺展过程,研究结果表明,射流流量为300 mL·min^(-1)时,液膜厚度模拟结果与实验结果最大偏差为7.9%,误差控制在工程应用允许的10%范围内,从而验证了VOF方法对射流撞壁形成液膜模拟的可行性。该研究可为液体火箭发动机液膜冷却技术提供一定的参考。

液压成形对液体火箭发动机多层增强S型波纹管结构疲劳寿命的影响

完善液体火箭发动机燃气摇摆装置中增强S型波纹管组件的疲劳寿命评估方法,提高其疲劳寿命预测精度,是发展可重复使用液体火箭发动机的重要课题之一。针对多层增强S型波纹管,为了计算其液压成形后的实际寿命数据,了解成形工艺对其疲劳寿命的影响,提出一种充分考虑成形制备过程对结构不同区域几何构型和材料力学性能造成差异化影响后的波纹管疲劳寿命分析方法。该方法基于成形仿真和材料拉伸试验结果,构建实际波纹管有限元模型并进行三维仿真分析,得到其在高内压和不同摆动工况下结构危险点的循环载荷信息,并根据波纹管结构的低周疲劳失效特点采用子午向应力应变数据,以及经过平均应力应变修正的Manson-Coffin(M-C)公式对波纹管的循环寿命进行估算和对比分析。结果表明:波纹管疲劳寿命薄弱点位置和大小均与循环摆角有关;在预测计算中考虑液压成形作用影响更接近实际场景,所得结构疲劳寿命大小和所在区域均与理论模型值存在差异,在结构设计、优化和健康监测中不应忽视其影响。

重复使用火箭发动机推力室疲劳寿命研究进展

再生冷却推力室内壁的热-机械疲劳失效严重影响重复使用液体火箭发动机的可靠性和使用寿命,疲劳分析在内壁损伤机理研究、寿命预测和结构优化设计中具有重要作用。简要回顾了推力室再生冷却结构热-机械疲劳分析方法的发展历程,重点围绕材料本构关系、热-力响应计算和疲劳寿命模型,对比梳理已有方法,讨论其特点及应用。基于研究进展与工程需求,从全服役周期瞬态载荷环境、材料本构关系、热-机械损伤模型及验证、基体与涂/镀层耦合失效分析和基于有限数据的工程方法等方面给出了进一步研究的方向和建议。

UDMH/NTO富氧燃气发生器预点火过程模型研究及应用

对富氧燃气发生器中偏二甲肼/四氧化二氮(UDMH/NTO)推进剂的自燃点火特性开展实验研究,结果表明,燃气发生器点火初期能量低,燃气温度缓慢爬升。基于实验结果和化学机理分析,构建了描述UDMH/NTO自燃推进剂在富氧环境下预点火过程的热力学模型,并将其应用到实验系统的系统级仿真模型中。实验结果验证了仿真模型的合理性,动态相对误差小于15%,主要差异在于燃气发生器压力“平台段”的仿真值偏低。在此基础上开展仿真研究,结果表明:初始参数变化明显影响点火初期的性能参数爬升特性,其中延长点火时差至2倍、将入口压力降低0.05 MPa或者将推进剂温度降低15℃均会导致发动机起动加速性降低25~50 ms,而提高入口压力和缩短点火时差可以减轻推进剂温度变化对性能参数爬升特性的影响程度。

以喷管为核心的多层次混合式实践教学探索

为充分适应空天融合背景下航空航天专业新工科建设及飞行器动力工程专业“两类”人才培养需求,以空天动力装置核心部件喷管为切入点,在“喷气推进原理”课程中开展多层次、混合式实践教学改革探索。自主构建了由“喷管推力产生原理”基础认知实验、“喷管工况调节与观测”综合训练实验、“喷管流动过程”虚拟仿真实验、“大作业+大创+竞赛+毕设”创新实践构成的四层次实践教学体系,逐层实现了“熟悉喷管性能指标、了解喷管测试手段、理解喷管工作原理、掌握喷管设计方法”四阶段教学目标。学生对喷管原理的认知得到有效强化,对各类动力装置异同的理解更加深刻。

重复使用火箭涡轮泵轴承故障特征提取方法优化

涡轮泵轴承是可重复使用火箭的关键,因此能够有效提取出轴承故障特征频率从而展开故障诊断十分重要。将奇异值分解(SVD)和包络谱解调法相结合,对火箭涡轮泵轴承展开故障特征提取。对轴承内环、外环及滚动体故障数据进行处理和分析,结果表明,针对信号中含有大量噪声的数据,相比传统的包络谱解调法,改进方法的故障特征提取效果明显提升。通过该方法提取出的3种故障低频特征频率的相对幅值相比于传统包络谱解调均有提升。同时,可以有效降低高频噪声的干扰,尤其在高频区依然可以看到比较明显的特征频率,而传统包络谱解调法的高频区基本被噪声覆盖。通过计算得出信号的信噪比均有60 dB以上的提升。

可重复使用液体火箭发动机涡轮泵轴承设计及试验

可重复使用液体火箭发动机研制需求的出现,对涡轮泵结构可靠性设计提出了更高的要求。针对涡轮泵中轴承在低温、高速、重载、重复启停等恶劣工况下容易失效的问题,以某型可重复使用液氧/煤油火箭发动机涡轮泵为研究对象,从结构、材料、保持架等方面对涡轮泵轴承进行了设计和动力学计算分析。根据涡轮泵工作工况,设计了低温和常温轴承运转试验系统,进行了轴承重复启停运转试验,试验过程中对轴承温度和运转转速进行监测以便判断轴承状态,试验后检查轴承钢球和滚道均正常,并对轴承设计参数进行复测发现无较大偏差。试验结果表明,设计的涡轮泵轴承在设计转速下可以完成预定的重复启停运转,同时试后同批次轴承搭载发动机试车考核成功重复点火十余次。

液氧甲烷变推力发动机螺旋槽再生冷却传热特性研究

为探究宽工况范围下螺旋槽再生冷却的传热特性,基于微小通道内低温工质的相变传热模型,采用一维传热计算方法,对5 kN级液氧甲烷变推力发动机开展了螺旋槽再生冷却传热特性研究。结果表明:本文所采用的传热计算模型可用于传热预估,与试验结果相比,冷却剂温升误差为4.3%,压降误差为1.1%,喉部处外壁温误差为-11%,在工程计算可接受范围内;相比于直槽,螺旋槽再生冷却能有效降低燃气侧壁温,同时,在宽范围变推力条件下,实际功率水平越低,冷却剂温升、压降越小,喉部燃气侧壁温越低,但“传热恶化区”内的壁温最大值反而越高,当发动机推力由额定工况的75%调整至20%时,燃气侧壁温的最大值由1 351 K增大至1 399 K;综合考虑壁面温度及冷却剂的压力损失,本文对冷却通道开展优化设计,对比四种冷却通道方案的传热性能,其中,方案4为最优方案,20%额定功率水平工况时,冷却剂温升为491 K,压降为0.34 MPa,燃气侧壁温最大值也仅为1 297 K,较初始设计方案降低了102 K,远低于材料的极限温度。

基于可调文氏管的液氧流量闭环控制特性研究

针对液氧供应系统流量精准控制困难的问题,开发了一套流量闭环控制系统并应用于液氧供应系统中。为实现系统按预设目标流量进行输出,进行了四类试验:无控制试验、流量闭环控制试验、PID参数影响试验与流量阶跃调节试验,研究了贮箱压力、液氧温度、针锥位置、调节范围与PID参数等因素对液氧流量闭环控制特性的影响。结果表明,通过反馈实时测得的液氧质量流量,流量闭环控制系统控制可调文氏管节流面积变化,实现了液氧流量±1%的精准控制,解决了由于系统压力波动及液氧温度变化等原因导致的液氧流量供应不稳定的问题,并实现了液氧在5∶1流量变比内的精准阶跃调节。

液体火箭发动机隔板研究综述

隔板是在液体火箭发动机当中用来抑制不稳定燃烧的一种阻尼装置,国内外多种型号的运载火箭都通过隔板消除了不稳定燃烧,得益于其简单的结构和较好的阻尼效果,隔板将在当下和未来保障推进系统稳定运行。简要介绍了隔板的结构形式,分析了隔板的存在对燃烧室内燃烧过程和声场的影响机理,给出了隔板的结构参数(隔板形式、叶片长度、叶片数量等)对阻尼效果的影响,分析了国内外针对隔板的研究成果。最后,基于当前的研究现状提出了对隔板未来研究的展望。

轴向预紧作用下的组合转子轴系模态特性研究

组合转子轴系结构是空天动力装备中发动机转子系统的主要结构,由于轴系中各部件接触面的存在使得转子系统动力学特性难以准确掌握,当涉及转子工作转速裕度时会产生一定的设计风险。针对组合转子轴系单主轴多部件轴向预紧结构特点,考虑转子不同接触面之间非线性连接参数,提出一种综合利用薄层单元和零长单元建模的两步模型修正方法,采用基于响应面优化的静态结构非线性分析以及基于随机统计学模型的粗糙表面接触分析进行薄层单元材料参数以及零长单元接触刚度系数识别,建立组合转子轴系动力学模型。根据某型发动机氢涡轮泵转子结构特点设计制造转子试件,对其自由模态进行试验研究,得到了不同螺纹预紧状态以及轴向预紧作用对组合转子轴系前两阶模态特性的影响。对比试验数据可知所提模型优化方法可以很好地反映出不同轴向预紧作用下组合转子轴系前两阶模态频率的变化趋势,在转子模态参数线性变化范围内计算误差小于1%,验证了该方法的正确性和有效性,为组合转子轴系精细化建模提供了参考依据。

法向声场中粘弹性平面液膜的线性不稳定性研究

针对液体火箭发动机中可能出现的声学振荡工况,对法向声场中平面液膜的线性不稳定性进行了理论分析。采用粘势流理论,描述了液膜的动量方程和边界条件。基于Floquet理论,获得了正弦、曲张双模态耦合的色散方程。结果表明,气液剪切引起的Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定和声振引起的参数不稳定之间存在竞争关系。奥内佐格数的增大、弹性数的减小和时间常数比的增大会抑制液膜的失稳。韦伯数的增大对K-H不稳定有促进作用,但是对参数不稳定具有双重作用,一方面韦伯数的增大减弱了表面张力,促进液膜失稳,另一方面韦伯数的增大使得参数不稳定区域的波数增大,增强粘性对不稳定的抑制作用,抑制液膜失稳。邦德数的增大促进了参数不稳定,抑制了K-H不稳定。声振频率的增大使得K-H不稳定增强,参数不稳定减弱。

延性铜合金颈缩后力学响应工程修正方法

液体火箭发动机中大量采用延性铜合金,严苛载荷导致其普遍工作于大塑性变形状态。由于无法有效处理拉伸试验颈缩后数据,传统工程强度分析所用材料本构无法充分反映出材料的真实承载能力。针对某延性铜合金开展常温单轴拉伸试验,并从工程强度分析的角度提出通用修正函数与参数拟合原则,随后通过有限元颈缩仿真拟合得到加权因子w=0.75和指数修正因子n=2.4。研究表明,有限元颈缩仿真的载荷-位移响应对模型参数和网格具有收敛性,指数修正方法可更好地描述铜合金试件颈缩后响应,选取n=2.4可得到偏保守的材料性能估计。

激光增材制造镍基高温合金的高温变形行为与本构模型

开展了激光增材制造镍基高温合金在7种温度下的拉伸试验,通过断口分析、数据处理等手段研究了增材制造高温合金的破坏机制及本构模型。结果表明:镍基高温合金的屈服强度、抗拉强度随着温度的升高而降低;温度高于673 K时,塑性段出现锯齿流变现象,随着温度的升高,锯齿的密度减小;试件断口表面存在大量韧窝和撕裂棱,具有显著的韧性断裂特征;通过考虑应变和温度对材料塑性行为的耦合影响,建立了以J-C和Z-A模型为基础来拟合合金流动应力的改进本构模型,拟合值和试验值吻合较好,相对误差绝对值均小于4%;将有限元仿真结果和试验的载荷-位移曲线进行对比,进一步证明了所建立本构模型的准确性。

基于机器学习建模的液体火箭发动机喷管内型面优化设计

喷管是液体火箭发动机产生推力的重要部件。喷管型面的结构将直接影响燃烧所产生的燃气在喷管中的流动情况,进而对发动机的性能产生影响。采用B样条曲线对抛物面型线进行参数化,计算样本集的流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)流场,以比冲为优化变量对喷管性能进行评估。研究表明,基于代理模型优化得到的喷管内型面结构与特征线法计算结果基本一致,比冲计算结果相当,最大误差为0.28%。通过代理模型和网格变形方法,可实现液体火箭发动机喷管内型面优化设计,提高优化效率。

多次启动燃烧室燃油主动冷却模拟试验

高超声速飞行器在不同马赫数、不同高度间跳跃飞行时,燃烧室在不同工况下间歇工作,热载荷发生交替变化,为保证燃烧室结构正常工作,采用燃油主动冷却对燃烧室进行热防护。为了验证燃烧室在燃油主动冷却时是否结焦积碳进而影响其正常工作,设计了多次启动燃烧室燃油主动冷却模拟试验装置,该装置采用电加热的方法模拟高温来流产生的交变热载荷,对主动冷却燃烧室模拟试验件进行了热壁冷油、热壁热油和燃油不流动状态试验考核。结果表明:主动冷却燃烧室热结构通过3次以上的热壁冷油、热壁热油循环试验后,试件未发生损坏;随循环次数增加,试件流阻增加较小,热壁热油工况的压差增加高于热壁冷油工况;对试验件进行剖切检查,发现冷却槽内积碳不明显,积碳主要出现在燃油出口的燃料集液腔内。

重复使用火箭发动机涡轮泵载荷谱编制方法

重复使用火箭一子级发动机通过多次点火将火箭送入预定轨道后,返回并定点回收,多次启动-关机会产生损伤累积及疲劳问题,掌握液体发动机涡轮泵真实载荷谱,是可重复使用火箭发动机研制中一项重要工作。针对重复使用火箭一子级发动机涡轮泵提出了载荷谱编制方法。根据回收任务方案,确定任务全周期飞行剖面,建立火箭动力学方程,计算一子级各飞行剖面发动机推力调节范围及质量流量。基于推进剂组分、质量流量等参数推算涡轮泵转速及功率变化,编制转速谱和功率谱。通过对SpaceX公司猎鹰9一子级陆地回收任务CRS-11分析,编制该任务全周期载荷谱,得到一子级发动机推力谱、涡轮泵转速谱和功率谱,通过真实推力数据验证载荷谱编制方法。研究结果可为重复使用发动机研制提供支撑。