隔层式双脉冲发动机尾部点火过程流固耦合特性研究

为研究隔层式双脉冲发动机Ⅰ脉冲尾部点火过程对隔层和Ⅱ脉冲药柱结构完整性的影响,以雷诺时均Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和固体推进剂热传导方程为基础,基于耦合传热方法建立推进剂点火与燃烧加质模型,同时结合流固耦合方法,详细分析了点火过程中燃气的非定常流动特性以及燃气冲击作用下隔层和Ⅱ脉冲药柱结构的力学特性。计算结果表明,尾部点火药气体喷射入药柱后端内孔和翼槽内形成回流区,导致翼槽侧表面首先点燃,同时迅速产生了二次着火点,加快了火焰传播过程,提高了升压速率;点火过程中燃烧室内初始低温气体被挤压至燃烧室头部,并与高温燃气持续相互作用,引起燃烧室头部压力剧烈振荡;点火冲击过程中,隔层表面压力差距较大,隔层外表面上等效应力最大值为3.7MPa,最大总变形量达10.1mm。

脉冲发动机中金属膜片式隔舱动态破坏过程研究

为了实现固体火箭发动机的多脉冲启动功能,设计了一种金属膜片式隔舱(PSD)结构,利用断裂力学理论和圆板大挠度理论建立了金属膜片的设计公式,根据燃烧室的使用要求确定了打开压强为2.2 MPa的金属膜片尺寸,利用脆性断裂模型模拟了膜片的破坏过程,得到其打开压强为2.15 MPa,有限元数值计算结果与公式计算结果符合较好。设计了金属膜片打开破坏的单项试验,5次试验平均打开压强为2.10 MPa,数值模拟的破坏形式与试验结果一致。通过区间估计,计算了膜片真实平均打开压强置信度为90%的置信区间为[1.90 MPa,2.30 MPa],该范围可以较好满足脉冲发动机的使用要求。

脉冲发动机陶瓷隔板的设计和试验研究

提出了陶瓷隔板及其组件的设计方法,对陶瓷隔板结构进行应力计算,得到了符合工作要求的陶瓷隔板结构形式。对有无刻痕的2个陶瓷隔板进行了耐压和破碎试验,并对试验结果进行了分析。研究表明,采用可切削加工玻璃陶瓷材料设计的等厚度圆拱形隔板具有凸侧耐压高不易破碎、凹侧耐压低易破碎的特点,满足脉冲发动机隔板使用要求。隔板拱顶和隔板与预紧压盖接触边界附近为应力较大区域。有刻痕隔板虽未完全按刻痕破碎,但刻痕减小了隔板碎片形状和尺寸的随机性,有助于形成规则的破口形状。

隔舱式双脉冲发动机金属膜片设计与实验研究

为得到双脉冲发动机隔舱结构关键部件金属膜片适宜结构,通过圆板大挠度理论和断裂力学理论推导出金属膜片预制缺陷处应力强度因子计算公式,得到金属膜片在内压作用下的设计方法,建立了膜片破坏压强与结构尺寸之间定量关系,并通过6次膜片动态破坏单项实验验证了其正确性。在此基础上,利用缩比发动机分别开展了隔舱热流承压、热流打开、热流联合实验以进一步考核隔舱的工作特性。结果表明:所导出的金属膜片设计方法与实验结果较为一致,平均误差约4.394%,可以用于脉冲发动机膜片具体结构尺寸设计;隔舱承压、密封、打开、消融性能良好,可以较好满足双脉冲发动机使用要求。

脉冲发动机软隔离装置反向打开过程研究

通过显示动力学的方法,对一种软隔离装置反向打开过程进行了模拟,并通过燃气发生器-隔层试验装置,进一步验证了隔层的打开过程,模拟结果与试验结果吻合得较好,验证了计算方法的合理性。研究结果表明,脆性断裂准则可较准确地预测隔层的破坏位置和压强,同时在内压冲击载荷作用下隔层薄弱区域首先出现破裂,破裂后下隔层结构逐渐反向打开,最终端口发生严重破坏,研究结果可用于发动机隔层的初步设计。

软隔板双脉冲发动机二级点火延迟试验分析

在进行软隔板双脉冲发动机的试验研究时发现,二级脉冲出现远远超过指标要求的点火延迟.为了改进这种状况,从点火药量和隔板厚度两方面进行试验研究.结果表明单纯增加点火药量使得隔板破裂太快,能量过早地释放;而单纯增加隔板厚度使得隔板不能按预定位置和方式破裂,影响工作性能.最终结合软隔板双脉冲发动机的工作特点,从两方面同时改进,达到了比较合理的点火延迟.

脉冲发动机喷管内气流压力波动速度研究(英文)

便携式烟雾机是利用脉动发动机产生的高温、高速燃气将农药雾化形成直径微小的颗粒,达到高效、环保防治林木病虫害的目的。该文建立了一套气流波动速度测试装置,利用等直径喷管中气流脉动流动特性,测定喷管不同轴向位置处的压力信号,利用同一压力信号源流过喷管不同轴向位置处,相互之间具有相关性的原理,将喷管不同位置处获得的压力信号进行相关分析。自相关分析结果表明喷管内压力信号具有典型正(余)弦信号特征,只是其中包含少许随机信号。通过互相关分析可获得喷管中两测点之间的平均压力波动速度,即气流纵波的波动速度。测试计算结果表明喷管内气流最大平均压力波动速度达5833 m/s,相当于本地音速669 m/s的8.72倍。

一种低速滚转弹药脉冲发动机弹道修正方法

提出了一种脉冲发动机直接力控制的弹道修正方案,分析了启控时间的选择原则,推导了横向速度追踪导引律,介绍了纵向命中点预测导引律,分析了点火策略,给出了系统控制流程.通过数值仿真验证了控制方案的有效性,计算表明,采用本控制方案后,某型弹药的落点圆概率误差从131 m降低到42 m,有效提高了射击精度.

脉冲发动机中隔层工作过程的数值分析及试验

为了实现固体火箭发动机的脉冲启动功能,设计了一种软质隔层结构(PSD),数值模拟了隔层的承压及打开过程,得到其应力应变场分布。当隔层承受来自I脉冲10MPa内压作用时,隔层及药柱的最大主应力及应变都在安全范围内,从而证明了该结构承压可靠性;利用扩展有限元XFEM技术模拟了隔层的破坏过程,隔层在II脉冲1.3MPa内压下打开,且打开形式可靠。设计了承压和打开单项试验,验证了数值模拟的准确性,并说明该结构承压、打开及密封性能均满足设计要求,隔层结构可以应用于实际的脉冲发动机之中。

双脉冲发动机中金属膜片动态与静态打开对比分析

为了研究双脉冲发动机中金属膜片的打开特性,分别选取Ductile damage模型和Brittle cracking模型来模拟膜片静态和动态打开过程。数值计算发现膜片分别在3.46MPa静态内压载荷和1.95MPa动态内压载荷作用下打开。为了验证计算结果的有效性,进行了膜片的冷流静态打开和热流动态打开试验,膜片分别在平均3.75MPa静态载荷和平均2.2MPa动态载荷作用下打开,数值计算结果与试验结果一致,说明了数值计算方法的有效性。计算结果和试验结果表明,膜片的静态打开压强明显高于动态打开压强,分析认为是由于膜片的塑性变形、材料本身特性及预制缺陷处的应力松弛引起的。根据隔舱的冷流及热流单项试验可以发现,膜片的打开形式与预期一致,满足双脉冲发动机的使用要求。

双脉冲发动机中金属膜片式隔舱设计方法

为了得到双脉冲发动机中金属膜片式隔舱的设计方法,通过圆板大挠度理论和断裂力学理论推导出金属膜片预制缺陷处应力强度因子的计算式,通过三维虚拟裂纹闭合法数值计算了预制缺陷处的应力强度因子,数值计算结果与公式计算结果一致性较好。通过多孔圆板强度理论,建立了支撑件强度校核方法,并与数值计算结果对比,校核方法所得应力值略高于数值结果,说明按该方法校核支撑件强度更有利于提高隔舱的承载能力。为了进一步验证公式方法的准确性,进行了隔舱相关试验。膜片实际平均打开压强与公式设计值误差仅为5.0%;通过热流模拟试车考核了隔舱承压性能,支撑件结构保持完整。数值分析及实验结果说明,文中所推导方法可用于设计膜片的结构尺寸和校核支撑件强度,所得方法可直接应用金属膜片式隔舱设计中。

脉冲发动机中隔层传热炭化模型

为分析脉冲发动机中隔层的绝热效果及温度变化情况,推导了隔层两种炭化模型的计算公式,对比实际发动机试车结果,模型一误差为20%,模型二误差为6.7%,炭化模型二具有较好的精度;数值模拟了隔层的热传导过程,将是否考虑炭化影响的隔层传热深度及温度分布与理论计算结果进行对比,未考虑炭化影响计算结果的误差在14.3%以上,考虑炭化影响计算结果的误差均小于10%。研究结果表明,预估隔层炭化深度时,应该运用炭化模型二;计算隔层的温度场分布时,必须考虑炭化影响。

脉冲发动机控制力对修正弹道的影响分析

在确定了脉冲发动机的结构参数和部分工作参数的情况下,分析了脉冲发动机控制力对修正弹道的影响能力,确定了在满足修正能力及飞行稳定性的条件下脉冲发动机的总层数、单冲和点火间隔.分析表明,通过优选脉冲发动机的结构参数和工作参数可以达到预期的弹道控制效果.

基于耦合传热的双脉冲发动机热防护层受热分析

针对双脉冲软隔层通道孔径对双脉冲发动机I脉冲燃烧室热防护层热环境的影响开展了数值仿真研究。对雷诺平均Navier-Strokes方程采用了双时间步LU-SGS迭代方法、AUSMPW迎风格式以及适合模拟分离流动的改进剪切应力输运(SST)湍流模型进行求解,通过保证流固耦合界面上的热流密度连续来实现耦合传热仿真。采用算例验证了算法及程序的精度和可信度。计算结果表明:I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数随软隔层通道孔径的增大而减小,最大对流换热系数平均减幅达20.3%,再附着点位置和对流换热系数最大值所在位置均向上游移动,分别平均移动24.2%和23.1%;I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数先增大后减小,且回流区内的对流换热系数相对较小,并在再附着点上游达到最大值。

弹道修正弹脉冲发动机作用角度优化研究

解算脉冲发动机最佳作用角度是脉冲弹道修正技术的一个重要课题。文中基于传统的脉冲发动机控制策略,从理论上分析了脉冲发动机作用角度与剩余落点偏差,针对横纵脉冲修正能力不同造成剩余落点偏差较大的情况,提出了一种以剩余落点偏差为目标函数的解算脉冲发动机作用角度算法,并通过六自由度弹道仿真验证了该算法的可行性。

脉冲发动机中软质隔层工作过程研究

为了研究双脉冲发动机中软质隔层的工作过程,建立了隔层的结构仿真模型,数值模拟了隔层的承压及打开过程,得到其应力应变场分布。当隔层承受来自I脉冲10 MPa内压作用时,隔层及药柱的最大主应力及应变都在安全范围内,从而证明了该结构承压可靠性;利用扩展有限元XFEM技术模拟了隔层的破坏过程,隔层在II脉冲1.3 MPa内压下打开,且打开形式可靠。对比试验结果一致性较好,说明隔层各项指标满足设计要求,可以应用于实际的脉冲发动机之中。之后,建立了隔层式双脉冲发动机的内流场仿真模型,分不同时刻模拟了双脉冲发动机的内流场特点:随隔层开口尺寸增加,开口处气相射流速度减小,回流强度减弱且中心位置向隔舱移动,I脉冲燃烧室内湍流强度急剧减小,粒子轨迹与内壁撞击位置后移。文中的仿真分析方法可以用来对双脉冲发动机进行预先仿真研究,从而对设计方案提供一定的参考意义。

姿控脉冲发动机点火逻辑研究

姿控脉冲发动机数量有限,为最大发挥脉冲的效用,减小喷流对弹体稳定性的影响,选择合适的点火时刻和点火逻辑是控制系统研究的关键。文中以PAC-3的弹体布局为例,分析讨论姿控脉冲发动机的工作特性和点火条件,基于侧向直接力与力矩的矢量叠加,利用Matlab仿真技术综合出弹体脉冲发动机的点火逻辑。仿真在纵向平面进行,给出了脉冲发动机点火个数、产生的直接力和力矩,以及导弹与目标的运动轨迹图,其结果有力地说明了直接力的效用和点火逻辑的正确性。

微型固体火箭脉冲发动机两相流数值模拟

应用欧拉-拉格朗日模型对某弹用微型固体火箭脉冲发动机进行两相流模拟,建立了三维空间的物理模型和数学模型,研究了纯气相和1~50μm不同直径颗粒对脉冲发动机性能参数的影响。数值模拟结果表明,气相的惯性作用使发动机内流场呈现不均匀分布,不同直径的颗粒在内流场中的分布情况不一样。在同一质量分数下,颗粒直径越大,对气相的传热和阻碍作用就越小,颗粒直径越小,粒子的随流性越好,与气相能量和动量的交换越显著。

基于ANSYS的脉冲发动机复合壳体优化设计研究

采用ANSYS软件对脉冲发动机复合壳体进行了优化设计研究。用六节点三角形单元对复合壳体模型离散化;在临界压力载荷作用下,分别对两种材料层进行最大应力约束,以减少质量为目标,对复合壳体的壁厚尺寸和过渡圆半径尺寸等设计变量进行了优化。利用表单工具,提出了两种材料复合结构整体一次性优化设计方法。计算结果表明,本优化设计方法可以减轻脉冲发动机复合壳体的总质量。

脉冲发动机喷管喉衬故障的计算与分析

为了解决脉冲发动机喷管喉衬曾出现过从其喷管座中打出的故障问题,利用MSC Patran 2004r2有限元软件对脉冲发动机喷管喉衬进行了强度分析.选用了三角形轴对称单元,用PCL语言编写了施加变压力载荷的程序,采用高压密封容器对整个喷管作了静压试验,分析了载荷、位移约束和材料性能对喉衬最大应力的影响.结果表明,喉衬支撑结构的耐烧蚀性能没有满足使用要求.经过试验验证,采用将支撑结构改进成镶嵌更耐烧蚀的金属衬套的复合结构措施的喷管,工作正常,结构完好.