比例式变推力固体姿控发动机非稳态特性研究

为了研究比例式变推力固体姿控发动机的内流场非稳态特性,建立了比例针栓推力器的二维轴对称计算模型,基于动网格技术模拟入口压强随喉部面积变化而变化的推力器工作模式,得到了内流场各性能参数的变化规律。结果表明:在非稳态工作过程中,内流场会出现典型的亚音速回流区、斜激波和流动分离等特征,入口压强、针栓壁面及喷管壁面压强均随针栓靠近喉部而增大,推力器推力逐渐上升,实现了推力连续调节。开关频率会加剧针栓前进过程中头部压强波动。针栓头部收敛角越大,其头部回流区越小。当喉部面积一定时,燃速压强指数越高,发动机压强与推力变化范围越大,为实现预设的推力调节范围,需要选择合适的燃速压强指数。

基于LSTM网络的内弹道性能预示方法

零维内弹道分析计算简便、高效,是一种常用的内弹道性能分析方法,但其常采用将喉径变化视为线性烧蚀的方法对喉部面积进行简化处理,而大量的试验表明喉径烧蚀并非线性,喉衬烧蚀主要发生在发动机工作的中后期。为此,文中提出了一种基于遗传算法和LSTM神经网络的内弹道性能预示方法,首先利用遗传算法和零维内弹道计算方程,从试验所得的压强数据中对喉径变化曲线进行辨识;然后利用LSTM神经网络建立喉径变化预示模型,实现对发动机喉径变化曲线的预示,并以此为基础对工作段内弹道性能进行预示;最后以实际案例对该方法进行验证,预示曲线与实际曲线的均方误差为0.118 MPa,相对误差为1.35%,结果表明该方法可以较为准确的预示固体火箭发动机的压强变化曲线。

固体发动机实际成型药柱燃面退移快速算法

针对固体发动机电子计算机断层扫描(CT)图像数据具有伪影噪声的问题,和实际成型药柱燃面粗糙度大、退移计算难度大的问题,提出一种CT数据的快速最小距离函数(CTFMDF)法。固体火箭发动机CT图像中存在伪影噪声,采用非均值滤波(NLM)算法对CT图像进行去噪处理,采用Scharr算子对去伪影后的图像进行Canny边缘检测,提取装药燃面。最大类间方差(OTSU)算法将装药分离,并建立三维装药体数据模型,对燃面数据建立多个并行K-d树,快速检索出装药到燃面的最小距离。实验结果证明:对于不同的装药结构,可以完成任意燃去厚度时的燃面位置,且CT-FMDF法运行时间更短。基于CT实测数据,对于带有初始燃面缺陷的装药,可计算出燃烧时缺陷对燃面的影响。

“固体火箭发动机燃烧不稳定”专栏导语

固体火箭发动机燃烧不稳定是个传统问题,也是当前工业界和学术界面临的共同挑战。燃烧不稳定是推进剂非稳态燃烧、燃烧室内非稳态流动和结构声特性耦合作用的结果,飞行过载、用于姿态控制的直接作用力等外部因素也可能是触发燃烧不稳定的重要条件。目前,最常见的燃烧不稳定是飞行过程中偶发的,这类现象用燃烧稳定性的线性分析方法无法解释,还难以准确预示,对工程研制造成的影响更大。

燃烧条件下影响推进剂脱粘面扩展的因素

研究了固体火箭发动机推进剂与包覆层界面脱粘在燃烧条件下扩展的影响因素。对含有预制脱粘面的试件进行了大量的燃烧试验 ,用X射线实时成像系统记录了燃烧过程 ;根据组成试件的不同材料特性 ,分别用粘弹性和线弹性有限元方法计算了试件在燃烧过程中的应力应变状态 ,并利用修正后的J积分法对脱粘面扩展的可能性进行了预估。理论分析和试验结果均表明 :燃烧室增压速率、脱粘面尺寸、边界条件等因素对脱粘面扩展均有较强的影响。该研究结果对制定固体火箭发动机装药失效判据有一定参考价值。

连续旋转爆震波细致结构及自持机理

基于化学非平衡流解耦方法和详细化学反应机理,在0.1mm的网格尺度下对连续旋转爆震波内流场和爆震波平掠惰性气体界面的传播过程进行了数值模拟。详细分析了连续旋转爆震波的空间结构,由于在出口侧无几何约束,受一系列稀疏波的影响,旋转爆震波强度受到不同程度的削弱,形状也发生了相应的变化。爆震波平掠惰性气体界面时的流场分布与连续旋转爆震波结构极为类似,对比研究了波前可燃气体层高度对爆震波结构和传播过程的影响,当爆震波高度较小时,其抵御惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面严重变形,爆震波解耦。若爆震波要稳定自持传播,其必须要达到一定的临界高度来抵御稀疏波的影响。

H_2/Air连续旋转爆震波的起爆及传播过程试验

在环缝-喷孔对撞式喷注模型发动机上,采用H2/O2热射流切向喷注的起爆方式,进行了H2/Air组合的连续旋转爆震试验,试验成功起爆并实现了爆震波的持续旋转传播。切向喷注的热射流并没有直接诱导形成旋转爆震波,从点火到形成稳定传播的旋转爆震波之间存在时间间隔。对高频信号的时频分析结果表明,在该试验工况下,旋转爆震波的传播过程非常稳定,其传播频率为5.5～5.95 kHz,平均传播频率为5.75 kHz,对应的平均传播速度为1716.4m/s,为理论预测值的91.14%。在没有测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,连续旋转爆震波也可以在更长的时间范围内稳定工作。

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(I)单波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的连续旋转爆震模型发动机上,以H2/Air为工质,对连续旋转爆震波以单波模态稳定自持的典型波形特征和时域、频域特征进行了研究。直接测量了模型发动机工作在该模态下产生的一维推力,讨论了比冲等推进性能。试验结果表明:出口背压为大气压时,在空气流量253 g·s-1,氢气流量6.15 g·s-1,当量比为0.834的工况下,模型发动机以平均传播频率5.5563 k Hz、平均传播速度1658.3 m·s-1的单波模态稳定工作360 ms。产生可靠的有效推力约为183.7 N。以火箭模式计算,有效排气速度为708.9 m·s-1,总比冲为72.34 s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为29870 m·s-1,燃料比冲为3048 s,消耗的氢气的单位面积质量流率为4122 g·m-2·s-1,单位推力为726 m·s-1。推力曲线的面积积分表明旋转爆震模型发动机所提供的推力比较稳定;微观来看,推力波形与爆震波高频压力波形耦合,围绕推力平均值振荡。

新型含铜催化剂对RDX／HTPB推进剂燃速影响的研究

用热分析方法筛选出两种合铜催化剂对ＲＤＸ／ＨＴＰＢ推进剂进行了配方试验研究，采用声发射法测定４～８ＭＰａ条件下药条燃速，由实验结果可看出：这两种新型含铜催化剂对提高燃速，降低燃速压强指数有明显效果；燃速可提高４２％，压强指数可降低１４％，经适当组合，可进一步提高燃速，降低燃速压强指数。

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(Ⅱ)-双波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的H2/Air连续旋转爆震模型发动机上实现双波自持。详细分析了连续旋转爆震波以双波模态自持传播的典型波形特征和时域、频域特征。测量了模型发动机工作在双波形模态下所产生的一维推力,讨论了比冲等推力性能。时频特性和推力积分表明:出口背压为大气压时,在空气流量786.6g·s-1,氢气流量20g·s-1,当量比为0.8733的工况下,模型发动机以平均传播频率10.5809k Hz,平均传播速度1578.9m·s-1的双波模态稳定工作超过650ms。产生可靠的有效推力约808.5N。以火箭模式计算,有效排气速度为1002.3m·s-1,总比冲为102.3s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为40425m·s-1,燃料比冲为4125s,所消耗氢气的单位面积质量流率为13404g·m-2·s-1,单位推力为1027.8m·s-1。相比于单波模态,双波模态使得燃烧室内压力更为均匀,高频推力曲线振荡幅值小。爆震波头个数增多有利于推力稳定。

旋转爆震波发动机二维数值模拟

采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H2/Air预混气旋转爆震发动机内流场进行了二维数值模拟。模拟结果给出了不同发动机尺寸条件下的详细起爆过程,结果表明当发动机尺寸小于临界直径时无法成功起爆;详细分析了流场结构和爆震波形状,旋转爆震波的传播速度与理论预测值吻合;性能分析结果表明在喷注总压低于燃烧室平均压力时仍可实现推进剂喷注,没装尾喷管的情况下发动机比冲达到176.5s。

一种测量固体火箭发动机羽焰温度的数据处理方法研究

针对连续测量固体火箭发动机羽焰温度的特点 ,提出了一种新的发射率假设模型 ,并在此基础上提出了一种新的多波长高温计的数据处理方法 ,即通过处理两个不同时刻多波长高温计的测量数据 ,由计算可同时获知两个时刻的真温及光谱发射率 .实验结果表明 ,其真温计算值与火箭发动机设计者提供的理论值之差在± 2 0K以内 。

含硼富燃料推进剂各组分对其低压燃速的影响

采用推进剂静态燃速测试仪和氧弹式量热器的试验方法 ,研究了各组分对含硼富燃料推进剂低压燃速和爆热的影响。结果表明 :增加高氯酸铵 (AP)含量、添加燃速催化剂、增加超细AP的含量 ,可以提高该推进剂的低压燃速 ;硼含量的增加可以提高推进剂的爆热 ,但燃速略有降低。热分析的结果表明

基于主被动层析融合的碳烟火焰多参数场重建

为克服实际工程应用中火焰辐射特性未知导致对火焰温度和辐射特性协同重建的低效率和低精度难题,结合主动激光层析吸收光谱和被动辐射成像技术,提出一种基于主被动层析融合的高温碳烟火焰多物理场协同重建的新方法。结合多谱段下激光层析透射测量信号和火焰自发辐射光场测量信号,根据火焰弥散介质辐射传输机理建立主被动层析的多场协同重建模型,对数值模拟高温碳烟火焰和耶鲁大学实验燃烧火焰的三维辐射物性场、温度场及气固两相燃烧产物组分浓度场的协同重建进行模拟研究,并对多种测量信号的随机误差进行误差传递分析。结果表明:当激光信噪比大于25 dB时,模拟火焰衰减系数场重建的相关系数接近1,重建的温度场与真值吻合较好;当激光信噪比大于30 dB时,实验火焰碳烟颗粒浓度场重建的相关系数接近1,温度场重建相关系数约为0.83;光场信号测量噪声对温度重建精度的影响比激光测量噪声显著,应尽可能保证激光与光场测量系统的标定精度。

液体火箭发动机燃烧稳定性CFD分析

应用 CFD方法对液体火箭发动机中的高频燃烧不稳定性进行了分析研究 ,建立了液体火箭发动机不稳定燃烧数值模拟的综合模型和控制方程 ,比较了 PISO和 Mac Cormack两种算法 ,得出了两种算法均能成功应用于不稳定燃烧分析的结论。编制了 ACL RECI系列程序。应用该程序对 YF- 86 0液氢液氧发动机和 NAL 液氧 /甲烷发动机的燃烧稳定性进行了数值模拟 ,得出了该发动机的燃烧稳定性极限图。

扰流片推力矢量控制系统动态特性研究

针对固体火箭发动机的推力矢量控制系统的需求,分析了扰流片系统的工作原理,设计了圆弧型扰流片;根据扰流片的安装位置关系,推导了扰流片摆角与伸入喷管出口流场高度的关系式;对加载单个圆弧型扰流片的喷管三维流场进行数值模拟,得到扰流片产生气动力的大小随扰流片伸入流场高度的变化规律;并通过固体火箭发动机的点火试验,验证所设计的扰流片系统在阶跃响应和正弦加载下的动态特性。结果表明:扰流片推力矢量控制系统在最大偏转角度38°时,阶跃响应时间为55ms,最大偏差0.6°,超调量2.02%;偏转角8°时,正弦加载测得系统带宽10Hz。

含催化剂RDXCMDB推进剂燃烧机理研究

利用常压ＤＳＣ及ＴＧ／ＤＴＧ，高压ＤＳＣ，单幅照相和燃烧波温度分布测试技术对含ＲＤＸ的复合改性双基推进剂（ＲＤＸＣＭＤＢ）含和不含催化剂时的燃烧机理进行了研究，得到了该种推进剂在热分解和燃烧方面的一些重要结果。

固冲发动机补燃室二次燃烧实验研究

采用不确定度评定的地面直连冲压实验设备,对某全尺寸固冲发动机补燃室二次燃烧进行了实验研究。通过测定比冲效率,确定了不同的燃气发生器喷嘴结构、空气进气角度、进气头部距离和补燃室长度对二次燃烧的影响,并进行了机理分析。结果表明,五喷嘴比冲效率较高,燃气的切入方式对补燃室二次燃烧有重要影响;增大入射角度,可提高比冲效率,但加剧了燃烧产物在补燃室内的沉积;补燃室头部距离不宜过大,比冲效率不随头部距离线性增加;补燃室长度增加,可使比冲效率提高,但效果并不理想。

高总温来流下的连续旋转爆震验证试验

为验证吸气式连续旋转爆震推进的可行性,在直连式试验台上开展了连续旋转爆震试验。采用三组元空气加热器模拟吸气式推进时的高总温来流,其设计流量600g/s,总温860K。采用热射流切向喷注的方法成功起爆了H2/air连续旋转爆震波,并实现了稳定自持传播。在H2/air当量比为0.86时,连续旋转爆震波以单个波头的同向传播模态传播,且其未影响到空气加热器的正常工作。爆震波的传播频率为3.68k Hz,与高频压力FFT分析所得的主频3.67k Hz吻合较好;爆震波传播速度为1248m/s。在未测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,在高总温来流条件下,连续旋转爆震波也可以在更长时间范围内稳定工作。

旋转射流对含硼固体火箭冲压发动机二次燃烧的影响

为提高固体火箭冲压发动机二次燃烧效率,将旋转射流技术引入固体火箭冲压发动机设计,采用Re-alizable k-ε湍流模型、单步涡团耗散燃烧模型以及KING硼粒子点火和燃烧模型,利用Fluent软件开展了旋转进气和一次燃气旋转含硼固体火箭冲压发动机补燃室三维反应流场流数值分析。研究结果表明,当空气射流切向进入补燃室时,气流产生的旋转均使燃料与空气的混合更充分,燃烧效率更高。当气流切入角度增大时,补燃效率先升后降,对于具体发动机结构,存在一个使燃烧效率最大的切入角,针对研究的模型发动机结构,此值在20°附近;当一次燃气旋流数的增加,二次燃烧效率呈逐渐增高的趋势。