高压强固体火箭发动机性能/成本优化设计

建立了翼柱形装药固体火箭发动机在高工作压强下的性能、成本计算模型,采用混合编码遗传算法进行了性能/成本优化设计。所得优化设计结果表明,按费用优化设计技术可行,可为高压强固体火箭发动机方案设计提供依据。

脉冲触发对固体火箭发动机内弹道压强抬升的影响

为了解固体火箭发动机在脉冲触发激励下的工作性能,设计了一种脉冲触发实验系统并开展实验研究,建立了脉冲触发内弹道模型。结果表明,实验系统压强抬升响应时间在25 ms以内,相较于延长段位置,发动机头部的压强扰动更大,扰动传播速度为1259 m/s;脉冲触发器峰值压强与发动机压强抬升预示误差均小于6%;延长段越长,脉冲触发产生的压强抬升越小;脉冲药量越大,压强抬升越大,脉冲药量与压强抬升呈近线性关系,药量从3 g增加到8 g,发动机压强抬升率从8.142%提升到31.594%;发动机压强抬升随脉冲触发器节流孔径的提升显著增大,孔径从1 mm增大到4 mm,压强抬升率从1.656%提升到了27.448%,壅塞作用导致1 mm的节流孔径无法达到脉冲触发效果;发动机压强抬升随着发动机喉径的增大而减小,喉径从12.50 mm提升到14.00 mm,压强抬升率从19.204%降低到了14.771%;对于本实验系统,触发时刻对发动机压强抬升影响小。

工作压强对战术固体火箭发动机比冲的影响分析

从固体发动机的特征速度、推力系数、燃烧室冲量系数和喷管冲量系数等因素出发,分析了发动机工作压强对战术固体火箭发动机比冲的影响。在此基础上验证性地给出了两台发动机的实例比较,最后提出了相关的设计原则与建议,可供工程设计参考。

固体火箭发动机燃烧室压强及喷管扩张比优化设计

以固体火箭发动机冲质比为目标函数,采用复合形法优化技术,对在一定高度范围内工作的纤维缠绕壳体固体发动机的燃烧室平均压强和喷管扩张比进行了优化计算。该方法特别对第一级工作的发动机总体方案优化的初步设计具有重要的参考价值。

高过载条件下固体火箭发动机绝热层失效研究

根据化学反应 /两相流耦合,建立了铝粒子燃烧模型,通过化学反应速率模型的模化湍流燃烧,对含铝推进剂固体火箭发动机在高过载条件下的内流场进行数值研究。结果表明,过载条件下燃烧室局部异常铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致绝热层异常烧蚀的主要原因。

高过载条件下固体火箭发动机工作稳定性研究

针对高过载条件下固体火箭发动机的燃烧特性,利用燃速方程编程计算,得出了过载条件下含铝复合推进剂燃速增加系数,分析了过载与燃速增大变化规律,并采用非均匀燃面计算方法模拟不同过载条件下发动机的内弹道性能,结果表明,过载对发动机内弹道性能影响不明显,但会影响特定部位燃速增大导致的装药偏烧,有必要加强该部位的热防护。

高速高加速固体火箭发动机壳体力学模型的建立

具体分析高速高加速情况下,固体火箭发动机壳体所承受的载荷,建立了一种比较全面、准确的壳体力学模型,并提出了求解模型的有效方法,从而为壳体强度和刚度的计算提供了一种合理的方法。

多根管型装药固体火箭发动机初始压强峰影响因素研究

为了解多根管型装药固体火箭发动机实验时出现的过高的初始压强峰的问题,采用实验研究和理论分析相结合的方法,对点火药量、药柱数量、限燃面积对初始压强峰的影响进行了研究。结果表明:对于多根管型装药固体火箭发动机,发现点火药量对初始压强峰影响较小,减少点火药量不能有效降低初始压强峰;药柱数量和限燃面积对燃通比和初始压强峰影响较大,装药数量从7根减少为6根时,初始压强峰减小了57%;限燃面积为装药外表面面积的0.22倍时,初始压强峰消失。同时,得到了该类型装药的侵蚀函数,其临界燃通比为50.10。

喉栓式变推力固体火箭发动机压强控制模型分析

针对喉栓式变推力固体火箭发动机气动控制过程,用控制工程的方法将喉面-压强响应系统近似为一阶线性系统,建立了系统传递函数。用传递函数中决定响应速度的时间常数对影响压强响应的因素进行了分析,得到了发动机设计参数对压强响应的影响规律。考虑线性化带来的误差,对传递函数进行了线性修正,用修正后的传递函数对采用开环控制的发动机系统压强响应进行求解,得到了压强响应曲线的近似解析解及理论响应时间,并分析了压强响应速度相对于喉栓作动速度的延迟。该求解办法可指导试验设计并提供快速有效的工程估算方法。

基于旋转阀的固体火箭发动机燃烧室压强振荡特性

针对基于旋转阀的固体推进剂压强耦合响应函数测试系统存在不易进行相位角测量、压强振荡及内流场分析的难点,设计一套旋转阀冷流实验系统,建立对应的压强振荡理论计算模型和三维瞬态内流场仿真模型,研究燃烧室压强振荡及其内流场特性。开展不同排气频率的冷流实验和理论计算,并与仿真模型进行对比。结果表明:仿真计算中单个转子排气通道周期性摆动运动可代替多转子排气通道单向旋转运动,且误差小于1%;仿真计算获取的排气周期与实验对比的误差小于1.2%;对于压强峰-峰值,仿真比实验小且相差数值由20 Hz的0.019 MPa降低至300 Hz的0.001 MPa,验证了仿真模型的有效性;为后续研究旋转阀工作过程中燃烧室压强振荡及流场变化提供了新的思路和途径。

固体火箭发动机零维两相燃烧室压强计算方法研究

为了更准确地预估含金属燃料固体火箭发动机的燃烧室压强,在压强计算中考虑两相流的影响,从一维两相喷管流动的求解出发,通过两相平衡流模型、两相常滞后模型、两相等温流模型、颗粒定温模型等模型的简化,分别推导不同模型下喷管中两相混合物的流量计算公式,再把流量公式应用到发动机零维内弹道理论中,推导并简化得到零维燃烧室平衡压强的计算公式。把压强公式用于HTPB推进剂固体火箭发动机和铝冰固体火箭发动机的燃烧室压强计算,结果表明,当固体推进剂中金属含量较高时(如铝含量为21%的HTPB推进剂发动机),用传统零维燃烧室压强公式预估的压强与实验误差较大,而使用合适的两相流模型和对应的零维燃烧室压强计算方法,在HTPB发动机中,能把压强预估结果与实验的误差降低到6%以内。如果使用多维内流场计算的方法,燃烧室压强预测结果的误差将下降到2.5%以内。结论发现在含金属固体火箭发动机的燃烧室压强计算中,考虑两相流的影响是必要的,而使用两相流修正后的零维燃烧室压强计算公式能够快速、较准确地预估这些发动机的燃烧室压强。

一种固体火箭发动机燃烧室压强计算方法

为了提高零维燃烧室平衡压强公式在金属含量大于15%的固体火箭发动机中压强估算的准确度,用两相内流场数值计算的方法求解不同情况下的发动机燃烧室压强,对铝含量为16%~18%的HTPB推进剂发动机和铝含量为40%~50%的铝冰发动机进行数值计算、拟合和修正,得到燃烧室零维压强修正计算式,得到铝冰发动机燃烧室压强修正公式,计算结果精度提高。结果证明该方法用于燃烧室压强计算时相比未修正的零维压强计算公式结果更准确,相比内流场数值计算的方法更简单实用。

基于遗传算法的固体火箭发动机参数优化设计

基于连续型遗传算法,并与工程设计方法及相关结构有限元计算结果紧密结合,建立了固体发动机优化模型。以固体发动机的冲质比为目标函数,对发动机工作压强、喷管扩张比和喉径等参数进行了优化设计。计算结果表明,采用遗传算法十分有效,能够快速获得最优解,提高发动机的整体性能。

小型固体火箭发动机尾部点火设计与实验

根据固体火箭发动机点火器设计经验,选用赛璐珞为点火器盒体材料、黑火药为点火药,并以点火压强作为发动机装药可靠点燃的判据。采用头部点火设计经验公式对端面-侧面燃烧、尾部点火的小型固体火箭发动机点火药量进行了初步估算。为获得点火器的点火压强、点火延迟时间等性能参数,设计、加工了模拟发动机尾部点火空间的试验容器,研究了电点火头、电点火管点火方案在不同条件下的试验情况。结果表明,虽然点火药量相同,但两种点火方案的点火压强、点火延迟时间、喷管堵片的打开方式却存在较大差异。基于发动机可靠性、维修性考虑,将电发火管点火方案作为优选方案,并通过发动机点火试验的成功考核。

固体火箭发动机地面点火试验高精度测试系统的设计与开发

高精度测试系统是固体火箭发动机地面点火试验部分的核心组成系统,测试数据获得的完整性与准确性是固体火箭发动机地面试车时是否能够真实反映其性能指标的重要条件之一.高精度测试系统是针对推力、压强、应变、温度等物理量进行测量的数据采集系统,满足多通道、快速和高精度测试.该系统是基于PXI+SCXI总线的虚拟仪器系统,使用软件将计算机与功能化硬件系统结合起来,从而完成对被测试量的采集、分析、显示、数据存储等功能.通过功能测试和性能测试验证了系统满足固体火箭发动机地面点火试验测试系统的技术要求.

某固体火箭发动机点火启动过程的仿真研究

对固体火箭发动机点火启动过程进行了内弹道仿真,讨论了点火药量、点火药颗粒度以及防潮堵盖吹脱压力对点火启动过程的影响,尤其是对点火启动时间和初始压强峰的影响,并提出了对点火启动过程各参数选取的建议.

高过载下固体发动机内Al_2O_3粒子运动状况的数值模拟

针对φ127 mm、φ315 mm试验发动机及大长细比发动机工作状态和结构特点,开展了燃烧室内三维两相流流动数值模拟,分析了横向和纵向加速度载荷对各种发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响。计算结果表明,不同轴向、横向过载对粒子的聚集位置、聚集浓度、冲击角度、速度有很大影响,轴向过载不变情况下,随着横向过载增大,粒子冲击速度减小、冲击角度增大、冲击位置前移,但粒子聚集浓度变化规律与轴向过载大小有关;药柱结构对发动机内粒子聚集也有很大影响,不同的药柱结构,过载的影响规律不同。

固体火箭发动机内弹道性能工程预示方法

利用发动机地面试验结果,引入广义的压强系数和推力系数,计算了发动机的特征速度、喷管喉部面积等参数。在此基础上利用随机试件和标准发动机的相关参数预示了发动机的压强、推力、流量及其积分。通过算例可以看出,此发动机内弹道性能工程预示方法简单实用,预示精度满足要求。

塞式喷管在固体火箭发动机上的应用研究

针对固体火箭发动机要求,比较了 3种可能的环排塞式喷管结构形式,认为环排瓦状塞式喷管是目前最可行的方案。以高空工作的固体发动机喷管为例,设计了一个 8单元环排瓦状塞式喷管和与其对比用的钟形喷管,在相同尺寸限制条件下,塞式喷管的面积比大大高于钟形喷管。通过数值模拟的方法对设计的环排瓦状塞式喷管的流场和性能进行了研究,分析了不同反压下塞锥流场特点和塞锥表面的压强分布。计算结果表明,塞式喷管在设计点效率为 97. 41%时,其真空效率为78. 63%。这比对比用钟形喷管的一维理想真空效率高出近2. 0%。

基于热力计算的固体火箭冲压发动机理论性能研究

研究了固体火箭冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算程序对含铝镁和含硼贫氧推进剂进行了计算,分析了在设计点处补燃室温度、冻结流比冲、平衡流比冲随空燃比变化的趋势,以及比冲随补燃室压强变化的趋势。计算结果表明,冻结流比冲低于平衡流比冲;在合理空燃比区内,选取空燃比作为设计值,有利于提高发动机性能;提高补燃室压强和选用高能推进剂都能有效提高比冲,但补燃室压强的提高受进气道设计的制约。