Al/AP粉末火箭发动机推力调节性能试验

基于气压驱动活塞、气体夹带颗粒输运的粉末供给方式,通过调节驱动气量和流化气量,改变粉末推进剂质量流率。采用40μm Al粉和100μm AP粉末分别作为燃料和氧化剂,对Al/AP粉末火箭发动机进行变推力点火试验。结果表明,随着粉末火箭发动机燃烧室压强的升高,Al/AP粉末的燃烧效率不断增加,燃烧效率最高可达到86.7%;在变推力调节阶段,AP粉末流量转调时间为1.1 s,Al粉末的流量转调时间为1.7 s;在喷管喉径为8 mm且氧燃比不变的情况下,推力调节比能达到1∶2.94,可实现粉末火箭发动机对推力调节的需求。

喷注压降对Al/AP粉末火箭发动机工作特性影响研究

为研究喷注压降对Al/AP粉末火箭发动机工作特性影响,在考虑喷管两相流动损失的情况下,通过理论计算分析了压强、氧燃比对Al/AP粉末火箭发动机比冲、绝热燃烧温度及凝相产物质量分数的影响。以此为基础确定了Al/AP粉末火箭发动机工作参数,搭建了Al/AP粉末火箭发动机试验系统,通过改变流化气质量流率和粉末推进剂储箱出口通流面积的方法研究不同喷注压降下Al/AP粉末火箭发动机的工作特性。结果表明,流化气质量流率大小对Al/AP粉末火箭工作过程存在一定的影响,过小会导致粉末推进剂供给卡顿,过大会导致发动机性能降低。与此同时,Al/AP粉末火箭动机工作过程中存在由粉末推进剂输运时滞导致的燃烧室压力振荡,而通过提高粉末推进的喷注压降可以有效抑制这一振荡。当前技术状态下,由于在Al/AP粉末火箭动机燃烧室设计、粉末推进剂高效喷注和离散等方面存在不足,Al/AP粉末火箭动机的实际性能与理论性能还存在一定偏差,试验中最高燃烧效率为69.79%。

非同轴式Al/AP粉末发动机内流场数值计算

为研究非同轴粉末发动机燃烧室内的燃烧与流动特性,对粉末发动机燃烧室内流场进行三维数值模拟,分析了非同轴式粉未喷注、火焰稳定器、铝粉颗粒粒径对粉末发动机流场特性的影响。计算结果表明:采用非同轴的供粉方式可以促进反应物掺混燃烧;在燃烧室内安装火焰稳定器、减小铝粉粒径可以促进铝粉燃烧,提升燃烧室内的压力和温度。

粉末火箭发动机研究进展

新型粉末火箭是以颗粒形态燃料或氧化剂为主要推进工质,以少量流化气体为输送介质的火箭推进系统,具有推力可调、多脉冲工作的功能和结构简单、环境温度适应性强、工作可靠性高等性能优势,在近地空间开发、深空探测等领域具有深远的研究价值。本文针对粉末火箭发展历史及技术现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末推进剂装填与改性、粉末供给输送、粉末喷注与燃烧等主要关键技术,并对包括冷态标定、常压点火以及样机试车等粉末火箭发动机系统研究过程进行了介绍,同时提出了高性能粉末推进剂研究、发动机低压点火、粉末输送分流与多点喷注、发动机系统控制、环境温度适应潜力等是粉末火箭发动机技术的发展方向。通过对粉末火箭发动机研究经验归纳整理,明确了粉末发动机自身工作特点与优势。

Al/AP粉末发动机燃料喷射流场的数值研究

为研究Al/AP粉末发动机燃料输送方式对粉末分散及混合效果的影响,利用气相控制方程、湍流模型、欧拉模型,对金属粉末发动机粉末燃料喷射掺混过程进行了详细的数值模拟。数值计算结果表明:固相体积分数和喷射入口有无锥体结构对流场参数具有较大影响。随着Al/AP粉末入口固相质量分数增加,粉末混合区域由燃烧室尾部向燃烧室头部移动。入口处安装锥体有利于粉末在燃烧室内分散,燃烧室头部颗粒相质量分数增加,轴线上平均固相质量分数降低,喷管前粉末局部积聚现象消失。

扰流环对粉末发动机燃烧流动影响的数值模拟

为了提高粉末火箭发动机的燃烧效率,通过数值模拟方法研究了扰流环的有无、通径及位置对燃烧室燃烧流动特性的影响。结果表明:扰流环会增强Al颗粒和气相的掺混和换热程度,促进Al颗粒蒸发和燃烧,从而提高粉末火箭发动机的燃烧效率。当扰流环通径比在0.538~0.846范围内时,扰流环的通径越小,燃烧效率越高;当扰流环头部距离比在0.3~0.8范围内时,扰流环位置离头部越近,燃烧效率越高。设计扰流环时,应在距离燃烧室头部30%~40%的位置布置小通径的扰流环。