固体燃气涡轮火箭发动机掺混燃烧实验方法

为研究固体燃气涡轮火箭发动机(SP-ATR)补燃室掺混燃烧规律,建立了一种采用多喉道喷管进行落压模拟的补燃室掺混燃烧实验方法,并利用该方法开展了典型工况下的地面直连实验研究,获取了流道内压强、温度分布、发动机推力等参数。结果表明,文中建立的补燃室掺混燃烧实验方法切实可行;两级喉道喷管可较好实现落压模拟功能;典型工况下补燃室燃烧效率、发动机性能较好;圆孔型掺混器流通面积较为合适,但对补燃室中段温度分布改善有限,为获得较优的发动机性能,还需进一步就掺混燃烧组织方式开展优化研究。

固体燃气涡轮火箭发动机燃烧组织优化研究

为探索固体燃气涡轮火箭发动机(SP-ATR)较优燃烧组织方式,在分析地面直连实验补燃室二次燃烧问题,利用地面直连实验结果进行数值方法精度校核后,开展了典型工况下适宜燃烧组织方式初选。在此基础上,选择了一种基于替代模型的渐进优化方法,获得了改进V型掺混器的较优构型。结果表明,建立数值方法可反映流道内真实流动状态;V型掺混器结构较为适宜;文中确定的渐进优化方法稳定可靠,获得的掺混器优化构型性能较理想,比冲较直接掺混方式增加约13.50%;现有圆孔、六叶花2种形式掺混器的结构不合理。

固体火箭发动机燃气射流与超声速来流相互作用数值研究

针对固体火箭发动声速来流机续航级在超声速来流中的燃气射流及外流场特点,利用数值模拟方法,分别对不同工况下固体火箭发动机尾焰及外流场进行流场结构定性分析,得到该流场结构大体可分为外场区、回流区及尾流区;通过对比不同高度轴线上参数,得到随着工作高度增加,喷管流动分离现象消失,波节减少,首个入射激波形成距离喷管出口距离增加,激波波面速度增大;通过对比回流区壁面参数,得到随着工作高度的增大,回流区壁面温度及马赫数增大,低压回流区导致喷管的实际工作压力低于环境压力30%以上;当喷管处于欠膨胀工作状态时,回流区流体马赫数呈现先减小后增大趋势,且靠近尾焰端受工作高度影响显著。

固体火箭发动机内部燃烧产物辐射特性预示方法及分布规律

介质辐射传热对含金属推进剂固体火箭发动机内部热环境影响显著。建立精确、高效的参与介质辐射特性预示方法是对发动机内部热环境进行精细数值预示的重要前提。针对发动机内的熔融氧化铝颗粒和多组分燃气,分别基于Mie理论和逐线计算法建立了其辐射特性精细计算方法,结合数据插值方法和普朗克平均吸收系数总体模型构建了固体火箭发动机燃烧产物辐射特性快速预示方法。计算得到了HIPPO喷管内部燃烧产物辐射特性参数的一维分布特性,研究了燃烧温度、压强及推进剂铝含量对喷管内燃烧产物辐射特性的影响规律。结果表明:在燃烧室和喷管喉部之间颗粒对燃烧产物吸收系数的贡献占主导地位,而燃气的贡献可忽略;在喷管扩张段,燃气对吸收系数的贡献逐渐显著;在喷管出口处,燃气对吸收系数的贡献不可忽略;燃烧室温度和推进剂铝含量的升高、燃烧室压强的降低均会导致燃气对辐射传热贡献比例的减小。

固体发动机水下点火尾流场计算

为研究固体发动机水下点火初期喷管内燃气泡的流动和发展过程及流场结构,利用CFD方法通过fluent分析软件对固体火箭发动机水下点火过程气液两相流场进行数值模拟计算,得到了发动机尾流场燃气马赫数、压力、温度等瞬态阶段演变情况。结果表明,发动机水下点火时,燃气与水之间产生强烈地相互作用,射流通道沿轴向存在周期性胀缩,一个周期内相继出现膨胀—液体回压—回流—颈缩—继续膨胀现象,随着流场发展涨缩强度逐渐减弱,颈缩位置向下游移动;燃气射流初期,轴向压力最高点在燃气泡头部位置;点火初始时刻喷管出口出现压力峰值;全计算域内温度在一定范围内振荡,沿轴向远离出口区域有剧烈的传热和明显的气液混合。

固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的建模及特征研究

建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计状态数学模型,提出了燃烧室燃气与空气配比的关系,分析了压气机增压比、涡轮进口燃气总温和涡轮落压比对燃烧室油气比的影响,以及固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计特点。基于涡轮压气机功率平衡条件、静压相等的掺混条件和尾喷管流量匹配条件,建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的非设计状态数学模型。

固体火箭冲压发动机燃气发生器及燃气流量调节阀建模及仿真

研究了一种气动式的燃气流量调节阀,并建立了固体火箭冲压发动机燃气发生器和气动式燃气流量调节阀的数学模型及仿真模型,对燃气流量调节阀仿真模型进行了试验验证,动态误差和稳态误差都在5%以内。通过仿真获得了燃气发生器和燃气调节阀的动态响应特性。仿真结果表明,燃气调节系统开环响应速度较慢,并具有很强的非线性。

固体推进剂空气涡轮火箭发动机的非设计点性能研究

为了简化控制系统和节流装置,采用涡轮进口富燃燃气流量为常数的调节计划,建立了固体推进剂空气涡轮火箭发动机(SPATR)的非设计点计算数学模型。分析了不同设计点涡轮进口富燃燃气流量对SPATR性能的影响,确立了设计点富燃燃气流量选择的方法。计算了SPATR的非设计点性能。结果表明,所建数学模型合理、可行,能满足SPATR在不同高度和速度下飞行任务的需要。

固体火箭燃气超燃冲压发动机概念分析(Ⅰ)——全流道一体化设计

针对中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机,从大气模型、进气道、燃烧室及尾喷管四个模块出发完成了其一体化流道设计。针对所设计的发动机设计点及非设计点,采用全流道一体化数值模拟的方法对发动机设计的合理性进行了验证。研究结果表明,发动机设计点及非设计点进气道均已启动,燃烧室及后体工作状态良好,验证了发动机设计的合理性;碳颗粒的燃烧效率限制了发动机整体的燃烧效率水平及发动机性能,发动机设计点整体的燃烧效率为49%,比冲仅有3674.61 m/s,提升碳颗粒的燃烧效率作为固体火箭燃气超燃冲压发动机性能提升的关键点;由于燃烧室长度可能较短,构型较为简单,这对于发动机的一体化设计是不利的,如果能合理布置燃烧室构型,则对固体火箭燃气超燃冲压发动机的二次补燃效率及发动机性能的提升有所帮助。

固体火箭发动机燃气舵热分析数值研究

采用顺序间接耦合的方法,针对某固体火箭发动机所使用的燃气舵,开展了偏转角度分别为0°、30°、45°的热分析数值研究。计算结果表明:偏转角度为0°、30°、45°时最大温度位置都出现在燃气舵前端;燃气在舵面上发生分离的区域主要是型面角度变化陡峭处,随着偏转角度的改变,分离点对温度影响程度也不同;偏转角的改变造成对附近流场的干扰程度增加,造成燃气在舵面上分离区域的改变,导致燃气舵侧面温度分布发生变化。

燃气流量可控的固体火箭冲压发动机动态建模及模型降阶(英文)

燃气流量可控的固体火箭冲压发动机促进了其燃气流量控制系统的研究。模型研究是控制系统设计的基础。基于集中参数的思想建立了燃气流量可控的固体火箭冲压发动机动态模型,分析了固体火箭冲压发动机动态模型参数的物理意义及其工作过程中的变参数特性,固体火箭冲压发动机动态响应时间由冷区容积时间常数、热区容积时间常数、激波传播时间常数和激波容积时间常数等组成,工作条件的较大变化使得固体火箭冲压发动机在工作过程中具有较强的变参数特性。最后对固体火箭冲压发动机动态模型进行模型降阶,由频率分析的结果可知,模型降阶是合理的。

带燃气舵的固体火箭发动机尾流仿真

燃气舵的扰动使得固体火箭发动机高度欠膨胀的尾流场显得更加复杂。文中采用数值仿真计算的方法对比研究了不同高度下相同自由来流马赫数时的带燃气舵发动机尾流场的特性。得到存在燃气舵扰动时固体火箭发动机高度欠膨胀尾流场的轴向截面呈十字状;并且随着高度的增加尾流场膨胀程度增加,温度边界向外扩展;同时得到尾流场的长度约为200倍的发动机喷管出口直径。

原子发射光谱双谱线法测量固体火箭发动机内燃气温度

发展了一种利用原子发射双谱线法 ,测试固体火箭发动机燃烧室内燃气温度的方法 ,设计了相应的测试系统。该方法利用石英光学纤维 ,将固体火箭发动机内高温高压燃气的光谱辐射信号传入测量系统 ;选用了两条波长间隔小的谱线 ,大大减少了光谱辐射率、光谱透射率等对光谱测量的影响 ;设计使用了耐压测量探头 ,保证在高压、强腐蚀实验条件下 ,系统的密封性和光的透过率。对装填有SQ 2推进剂的固体火箭发动机燃烧室内的气流温度进行了在线检测。测量时间分辨率可高达 0 5 μs。

固体火箭冲压发动机燃气流量调节的负调现象

研究了可变流量固体火箭冲压发动机所存在的燃气流量负调现象,分析了负调现象产生的机理是由于燃气发生器压强的变化过程滞后于喷嘴面积的变化过程。基于燃气发生器动态工作模型,以某型固体火箭冲压发动机为例,通过仿真分析研究了燃气发生器空腔容积和燃气阀门调节速度对负调过程的影响:当燃气发生器空腔长度为0.1 m、阀门调节时间分别为0 s和2 s时,对应的燃气负调量为82.6%和1.7%、响应时间为0.21 s和1.76 s;当燃气发生器空腔长度为0.8m、阀门调节时间分别为0 s和2 s时,对应的燃气负调量为82.6%和11.4%、响应时间为1.69 s和2.85 s。基于上述分析结果,还提出了减小固体火箭冲压发动机燃气流量负调程度的措施。

固体火箭发动机水下燃气泡计算

采用二维非定常气流场模型和VOF(Volume of Fluids)模型,对水下固体火箭发动机点火初期这一非稳态过程进行了气水耦合数值求解。模拟了燃气泡的形成、发展及断裂过程,揭示了燃气泡中压强、马赫数等参数的变化规律,得到了高速射流点火初期的流场变化特征,模拟中捕捉到了喷管出口处的压力脉动和燃气泡的"颈缩"现象,并对引起压力脉动的相关因素进行了讨论。模拟结果表明,燃气泡的发展变化过程会对喷管扩张段产生影响,这是水下高速射流的重要特征之一。上述研究可为水下发射固体火箭发动机设计提供参考。

固体燃料空气涡轮火箭发动机方案和技术研究

针对固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)的工作特点,提出了双燃气发生器的加力工作模式,并根据总体性能要求确定了部件的工作参数。主要采用数值模拟和实验研究相结合的手段,分别针对压气机和涡轮部件开展了气动设计和增压装置集成,获得了工作特性,并完成了增压系统工作特性的冷流实验验证。开展了考虑涡轮后低温旋流条件下多股气流的高效掺混燃烧研究,通过研究涡轮转速、空气入射角度、补燃室富燃燃气流量和富燃燃气射流位置对燃烧效率的影响,确定了原理样机和关键部件的恰当形式和布局方式。最终开展了原理样机的地面热试实验,验证了双燃气发生器的SPATR发动机的工作原理,热试实验结果表明燃气涡轮增压装置工作可靠,性能满足设计要求,其中压气机压比达到了3.3,转速为82kr/min,补燃室燃烧效率为85.21%。

固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的气动热力循环分析(英文)

建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计状态数值模型,提出了基于压气机增压比、涡轮前温度和涡轮落压比关系的燃烧室燃气与空气配比表达式,以及涡轮落压比和发动机涵道比的匹配关系。定量分析了压气机增压比、涡轮进口燃气总温、涵道比/涡轮落压比和飞行马赫数对固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的单位推力和比冲的影响。

固体火箭冲压发动机燃气流量调节最优前馈控制

固体火箭冲压发动机燃气流量调节过程中存在负调节,对正常工作有很大影响。文中根据燃气流量调节小扰动数学模型分析了负调量与调节时间之间存在的矛盾,给出了负调受约束下最小调节时间。然后根据最优响应设计了可实现的最优前馈控制器,建立以内弹道方法为基础的仿真模型。结果表明,该前馈控制方法能够在燃气流量难以测量形成有效反馈控制的实际情况中,实现不同负调约束的最优调节。发动机设计时应根据综合状态折中选择负调量和调节时间。

基于亚历山大效应测量固体火箭发动机燃气温度

介绍了亚历山大效应测温原理,通过数值仿真研究了发动机尺寸与热损失对燃烧室轴心温度的影响,组建了基于亚历山大效应的火箭发动机燃气温度测量系统。测量了铝含量为1%,9%,17%的复合推进剂在0.1 MPa下燃气温度、发动机工作压强为5 MPa时燃烧室内燃气温度和喷管出口处燃气温度。结果表明:发动机直径与热损失对燃烧室轴心温度的影响可忽略;基于亚历山大效应测温法在室压下测得燃气温度分别为2857,3109,3284 K,理论计算燃气温度分别为2712,2891,3049 K,即随着铝含量的增加,实测燃气温度和理论燃气温度都增加;测得发动机喷管出口燃气温度为2200 K,与理论计算的2278 K较吻合;透明玻璃窗在发动机工作过程中受到燃气污染,导致测得的燃烧室气体温度分别为2300 K和2450 K,低于理论计算的3190 K和3450 K,必须进一步改进高温测量系统,使之能精确测量火箭发动机燃气温度。

空气涡轮固体火箭发动机的研究

介绍了空气涡轮固体火箭发动机 (SPATR)的性能特点 ,以及美国CFD研究公司在总体设计 (包括推进剂、涡轮机 )上的研究、对验证发动机的试验结果 。