RBCC组合动力用液体推进剂研究进展

结合RBCC组合动力的发展需求,从性能、使用情况等方面探讨近年来组合动力吸气式模态用燃料和火箭模态用推进剂的研究进展,包括吸热型碳氢燃料、高密度吸热碳氢燃料、四氧化二氮/绿色自燃燃料和过氧化氢/碳氢燃料等。为满足RBCC系统对推进剂的长贮需求,RBCC吸气式模态宜发展兼顾高密度和高吸热能力的碳氢燃料;火箭模态需发展能够与四氧化二氮迅速自燃,且能量不低于现有肼类燃料的新型绿色燃料;过氧化氢/碳氢燃料需重点解决过氧化氢使用安全性和长贮稳定性问题,并形成可靠的安全应用方案。针对RBCC动力系统提出的可长期贮存、免维护等要求,现有推进剂方案还需要在性能提升、工程适用性、系统匹配性等方面继续开展关键技术攻关。

构型及二次燃烧对RBCC引射模态推力性能的影响

提出了掺混度模型并数值研究了五种构型和两种燃烧组织模式对RBCC发动机引射模态推力性能的影响,其中改进构型获得了推力增强。得出如下结论:(1)在引射掺混的前段,掺混过程主要由一次流喷管结构决定。而在引射掺混后段,后体构型对掺混过程影响较大。(2)获得较高掺混速率、较优引射比并在掺混过程中产生高于环境压强的流动状态是改进构型获得推力增强的两个重要因素。(3)与SMC燃烧组织模式相比,改进构型的SPI模式有效延迟了二次燃烧,不仅提高了燃烧效率而且没有使引射比过度下降。

RBCC发动机性能快速分析方法改进和验证

对火箭基组合循环(RBCC)发动机一维性能分析模型进行了改进,主要改进包括基于实验结果辨识出主火箭与二次燃料加质分布函数的关键参数;考虑了凹腔和支板等复杂构型对流道横截面积的影响;考虑了多组燃料喷注位置对发动机性能的影响。采用地面直连实验和经过实验校验的CFD结果对改进的一维程序进行了充分验证。结果表明,改进后的性能分析模型可快速计算发动机性能,能体现出凹腔、支板等复杂构型和多点燃料喷注对流道内参数分布和发动机性能的影响;可预估热力喉道位置,与CFD结果的最大相对误差为燃烧室长度的13%;与实验相比,亚燃模态流道压强积分的最大相对误差为6.3%;与CFD相比,引射和亚燃模态下推力最大相对误差5.9%,超燃模态下推力最大相对误差7.7%。

多模态RBCC主火箭混合比对引射流动燃烧影响

针对宽范围飞行的二元中心支板式构型,采用发动机与飞行器前后体集成的全流道数值模拟计算方法,研究了主火箭混合比对RBCC引射模态超声速飞行阶段燃烧室流动燃烧及发动机性能的影响。结果表明,主火箭混合比为2.4无二次燃料喷注时,燃烧室出口气流平均总温最高,恰当比和贫燃主火箭可通过二次燃烧组织获得高于主火箭富燃工作情况下的总温,主火箭混合比影响主火箭射流温度,并通过与引射空气的掺混燃烧,与二次燃烧共同决定着燃烧室内的释热区间和压强分布情况,进而影响引射比及发动机性能;引射比随混合比的增大而增大,Ma=1.5、2时,引射比最大相差比例可达77.3%和109.0%,二次燃烧组织使得燃烧室下游压强迅速升高并前传,导致引射比迅速降低,主火箭混合比仍对引射比产生重要影响;在以亚燃和超燃模态为设计重点的受限流道内,主火箭恰当比工作可兼顾主火箭推力及燃烧室推力,进而获得更高的发动机性能,Ma=1.5、2时,推力增益分别达到22.0%和36.6%,发动机比冲分别为3 696 N·s/kg和4 136 N·s/kg,主火箭混合比对提升引射模态超声速段引射比及发动机性能具有重要影响。

燃料喷注位置对于RBCC超燃模态性能的影响

为实现二元结构火箭基组合循环(RBCC)发动机在超燃模态下较优的工作性能,开展了数值模拟研究。使用二阶TVD格式差分算法,结合十二步乙烯简化动力学模型,分析了RBCC超燃模态下的冷热态流场,评定燃料喷注位置对发动机性能的影响。数值模拟结果表明,支板火箭关闭情况下,乙烯燃料RBCC发动机可在流道内组织燃烧、建立室压;将燃料在支板与凹腔中间靠上游位置喷注,可获得较好的发动机总体性能,此时发动机内推力增益可达9%以上;支板火箭底部的高温低速回流区有助于维持燃料高效燃烧释热。

RBCC发动机亚燃模态一次火箭引导燃烧的实验

针对使用液体煤油燃料(JP-10)的火箭基组合动力循环(RBCC)发动机在亚燃模态下使用一次火箭作为引导的燃烧组织开展了实验研究.实验在低来流总温条件下,使用小流量一次火箭羽流作为引导火焰可以实现液体煤油的可靠点火和稳定燃烧,并在扩张燃烧室中实现"热力壅塞",从而完成RBCC发动机亚燃模态的高效燃烧.在目前发动机燃烧室构型下,通过一系列的发动机壁面压力分布曲线和推力增益的比较,研究了凹腔,支板及壁面喷注位置对发动机性能的影响.实验的结果表明:在一次火箭的下游使用支板喷注器可以使得燃料较容易的分布在主流中,并且在一次火焰羽流的引导下可以实现稳定高效的燃烧.支板喷注器的位置对于发动机的性能有很大的影响,在凹腔前壁面横向喷注燃料,有利于RBCC发动机燃烧性能的提升.为了获得较优的发动机亚燃模态性能,需要进一步对燃料的喷注策略开展优化研究.

RBCC发动机燃料喷注位置变化对混合燃烧模式燃烧的影响

为了研究混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧的影响,通过数值模拟的方法,研究了喷注位置变化时,流道组分质量分数分布、高温放热区域及流道压强分布的变化规律.结果表明,混合燃烧模式中,喷注位置变化对燃烧流场影响很大.在燃烧室中,燃料喷注位置靠前能给燃烧带来帮助,提高燃料与二次来流的掺混能力,并且由于燃料与一次火箭高温羽流相互掺混等影响提前,加快燃料的雾化蒸发,促进燃烧流场的火焰传播,减少煤油点火延迟时间,提高了燃烧效率.因此为了提高混合燃烧模式下的燃烧性能,应尽可能选择燃烧室前端位置进行燃料喷注.