一种插入式组合喷管的设计方法与实验研究

由于火箭发动机喷管所需的扩张比与冲压发动机喷管不同,在整体式火箭冲压发动机中,需要设计一个可同时满足2种发动机工作要求的喷管(组合喷管)。提出了一种插入式组合喷管的原理,并给出了组合喷管型面的设计方法。根据某一制式火箭发动机具体设计了一个插入式组合喷管,并通过数值计算和实验,与原制式锥型喷管进行了对比研究。结果表明,新设计的组合喷管与原制式锥形喷管相比,推力仅相差2%以内,但其长度缩短了32.45%,证明文中给出的插入式组合喷管型面的设计方法准确有效,且组合喷管具有明显的优越性。

小空间组合喷管推力测量系统不确定度评定研究

针对组合喷管推力测量系统的测量不确定度评定问题,对组合喷管推力的测量原理进行了介绍,对传感器测力面的位置和推力的修正系数进行了试验标定,对推力测量系统的不确定度来源进行了分析。利用A类不确定度分量和B类不确定度分量对推力测量系统的测量不确定度进行了评定,采用贝塞尔法对每个通道的A类不确定度分量进行了计算,对推力测量系统各个环节引入的B类不确定度分量进行了计算。研究结果表明,每个通道的B类不确定度分量接近,每个通道合成标准不确定度和扩展不确定度的大小主要由A类不确定度分量决定,A类不确定度分量与喷管的尺寸和内部结构有关。

组合喷管构形激光推力器推进性能数值研究

激光推力器中,单一构形如旋转抛物形、锥形的喷管设计未对高压流场实现有效约束,推进性能较低。通过建立的计算模型,针对吸气模式下,抛物形与圆柱形喷管组合的激光推力器模型进行了数值研究,围绕圆柱喷管长度与脉宽对推进性能的影响规律以及流场演化特征进行了分析。结果显示：冲量耦合系数随圆柱喷管的增长而增加并趋于恒定,直径20mm、圆柱喷管长80mm的推力器模型在单脉冲激光能量密度1.5J/cm^2的条件下获得的冲量耦合系数高达627.7N/MW;脉宽对冲量耦合系数也有一定影响。

并联式TBCC单边膨胀组合喷管安装及结构设计研究

针对单边膨胀组合喷管(Single expansion ramp nozzle,SERN)不规则几何结构设计难题,以提高SERN结构刚度、强度为目标,从安装布局方案以及承力结构拓扑优化两个方面开展设计工作,分析了不同位置安装节点对载荷分布、关键位置变形的影响,基于拓扑优化方法,建立了SERN部件级结构概念设计方法和流程,实现了SERN的结构设计。研究结果表明:新增辅助侧拉杆能减小关键位置的变形,同时往左上方移动侧拉杆、右上方移动辅助安装节以及左下方移动主安装节有利于关键位置变形控制和各安装节点载荷的合理分布;优化后的安装方案相比初步安装方案,最大关键位置变形下降了83%,主安装节最大载荷下降了35%,辅助安装节最大载荷下降了55%。设计的SERN结构随TBCC发动机完成了高马赫数模态转换试验,试验后结构状态良好,验证了设计的合理性。

面向推力优化的并联TBCC组合喷管设计方法

针对宽速域飞机机体/推进的强耦合,提出一种在给定几何尺寸约束下面向推力优化的并联涡轮冲压组合发动机(TBCC)组合喷管设计方法。通过理论分析和数值模拟相结合的手段,实现了宽速域组合喷管在欠膨胀和过膨胀流动状态下涡轮/冲压流道面积膨胀比的优化分配。在研究的涡轮/冲压落压比范围内,相比基准组合喷管,面向推力优化设计得到的组合喷管均能具有更高的推力性能,两者综合推力系数的差异在涡轮单独工作的过膨胀流动状态尤为明显,通过推力优化可使得马赫数为0.2和3时的推力系数分别提高4.89%和4.14%。推力优化喷管的升力和俯仰力矩随飞行马赫数的变化幅度相比基准喷管分别减小了33%和47.3%,这可以有效减小机体/推进耦合下全机气动焦点的变化范围,有利于减小宽速域飞机配平阻力并降低飞行器操稳控制难度。

一种压滤机组合式喷管滤布冲洗装置

压滤机过滤通过滤布的透气量排出滤液,卸除滤饼时有的会粘挂在滤布上面,使滤布毛细孔堵塞造成没有透气量,因此滤布需经过冲洗装置冲洗后才能再进行过滤。研制一种压滤机组合式喷管滤布冲洗装置,该装置为PLC自动控制运行操作,设置5.0 MPa的高压进水压力冲洗滤布,组合式喷管升降一次可把多块滤布快速清洗干净,达到足够的透气量,该结构设计紧凑占地面积小,节省能源降低成本,操作简单维修方便。

带延长圆柱形喷管激光推力器推进性能数值研究

针对抛物形喷管与圆柱形喷管相组合的带延长圆柱形喷管激光推力器模型,通过求解含激光能量源项的流体力学方程组,计算得到了不同单脉冲激光能量条件下3种构形参数对冲量耦合系数和推力的影响。结果显示带延长圆柱形喷管可获得高于600N/MW的冲量耦合系数,同时表明冲量耦合系数随圆柱喷管长度的增加而增大并趋于饱和,圆柱喷管饱和长度与激光能量呈线性关系。冲量耦合系数随抛物形喷管张角的增大先增大后减小,对于总长度为100mm的喷管,半张角在33°左右时取得最大值且受激光能量的影响很小。冲量耦合系数随点火位置的增大也存在最大值,最大值对应的点火位置与激光能量成线性关系。

排气扩压器对TBCC排气系统的流道性能影响研究

为了研究不同的排气扩压器(简称排扩)直径、排扩形状以及排扩与单边膨胀组合喷管模型之间的相对位置对缩比喷管试验推力测量的影响,对3种排扩在不同的长径比下,进行了共6组风洞试验,同时对相应工况进行了数值模拟,并将试验与数值计算结果进行比较。研究结果表明:排扩的形状对喷管测力影响很小;大直径的排扩2的距离变化对测得的推力系数基本没有影响,但小直径的排扩1在排扩入口与喷管出口齐平工况下测得的推力系数明显小于喷管伸入排扩工况;在喷管模型伸入排扩工况下,排扩的直径对喷管测力基本无影响,但是在喷管出口与排扩入口齐平的工况下,使用小直径的排扩1会使测得的推力系数偏小。因此,排扩的几何参数变化对喷管外壁面的边界层流动影响很小,在排扩对喷管出口流场产生雍塞时,会影响喷管的推力测量。

高超声速飞行器后体推减阻高速风洞试验技术

针对高超声速飞行器组合喷管与后体的一体化性能测试的需求,发展了一种后体推减阻试验技术,研制了双波纹管天平系统和基于高精度数字阀的喷流质量流量控制系统,在FL-60风洞建立了由通气腹部支杆实现模型支撑及供气、内置单天平实现气动力及推力测量、双金属波纹管实现双路喷流独立模拟且不传力等组成的双发飞行器后体推减阻试验系统,实现了飞行器后体推减阻特性的测量,也可实现双发喷管推力特性测量。系统调试和风洞试验结果表明,试验系统运行稳定、可靠、质量流量测量精度优于0.3%;后体推减阻特性规律合理,重复性精度达到国军标常规测力合格指标;建立的试验系统可用于来流马赫数0.3~4.0、迎角0°、喷流总质量流量0~2.0kg/s的双发高超声速飞行器后体推减阻试验和带外流的推力特性试验;提出的试验技术可进一步发展为全机推减阻试验技术。

TBCC燃烧室/喷管一体化壁面温度计算

基于Navier-Stokes(N-S)方程组对包括隔热屏、隔热屏内外流、大气外流在内的涡轮基组合动力(TBCC)发动机燃烧室/喷管进行了一体化的气/热耦合数值模拟,考虑了燃气组分输运、辐射换热等影响,研究了其在某典型飞行状态下TBCC冲压发动机燃烧室/喷管筒体及隔热屏内外壁壁面温度、辐射换热热流及对流换热热流分布.结果表明:燃烧室/喷管筒体与对称面上下交线的壁面温度在轴向距离为0.5~2.6m内变化较小,在轴向距离为2.6~3.1m内急剧增加,在轴向距离为3.1~3.5m内急剧下降.之后,上交线筒体壁面温度沿流向减小,下交线筒体壁面温度先升高后降低.筒体壁面温度最高点在喷管下调节板收缩段,为1 577K.隔热屏内壁面辐射热流在370~500kW/m2变化,上下交线处的辐射热流较外壁面的辐射热流约高300kW/m2,辐射热流沿流向先减小后增加.隔热屏外壁面辐射热流在50~200kW/m2范围内分布.