固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题,设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机,开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明:掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象,为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置,将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率,本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。

中轴流场参数波动对超燃燃烧室性能的影响研究

当吸气式飞行器在进行宽域飞行时,燃烧室中轴线上流场会发生较大改变,流场参数沿轴向发生“波动”。因此,有必要开展中轴线流场参数波动对燃烧室性能的影响研究,为吸气式飞行器燃烧室在进行宽域飞行设计时提供相关理论支持。在N-S气相控制模型的基础上,结合燃烧模型、湍流模型、燃速模型、加质模型,建立了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室流动燃烧数值仿真模型。通过该模型,开展中轴线上流场参数波动对燃烧室性能的影响。研究结果表明:宽域飞行时不同的飞行工况导致的入口空气流量不同,会引起燃烧室内马赫数沿流向振荡,振荡幅值越大,总压损失越大。入口空气流量过高或过低都会导致燃烧室内气流马赫数振荡,但选取合适的入口流量可显著降低燃烧室气流马赫数的振荡幅值。因此,针对需要在宽域条件下工作的燃烧室,应设计合适的入口流量使燃烧室整个工作周期内流场马赫数振荡综合最小,进而降低燃烧室流动损失,并提升燃烧室工作性能。

凹腔对固体超燃冲压发动机燃烧性能影响研究

为提高固体超燃冲压发动机燃烧性能,获得凹腔对固体超燃冲压发动机燃烧性能影响规律,开展了地面直连试验和数值模拟研究。利用数值模拟分析了凹腔位置和数量对燃烧室流动与富燃燃气掺混燃烧作用效果。研究表明:(1)马赫数沿燃烧室流向均呈现下降-波动-上升的变化特点,相比于无/单凹腔构型中的近壁面燃烧,双凹腔构型实现流道中心燃烧。(2)富燃燃气中可燃气体与凝相颗粒因穿透深度不同导致两者分区燃烧,气相燃烧速度和燃烧效率均远高于凝相颗粒,不同质量的颗粒运动轨迹存在差异,但该差异随颗粒燃烧而逐渐减小。(3)凹腔通过产生低速区促进富燃燃气掺混燃烧,促进效果取决于凹腔与燃气喷口间的距离。(4)凹腔对固体超燃冲压发动机燃烧性能具有明显影响,发动机无凹腔时燃烧效率仅0.48,总压损失达0.67,采用双凹腔时燃烧效率达0.98,总压损失为0.58。综上所述,采用双凹腔构型的燃烧室更有利于提高固体超燃冲压发动机燃烧性能。

固体超燃冲压发动机燃烧模态转换研究

对固体超燃冲压发动机的模态转换现象和燃烧室工作特性开展了地面直连试验和数值模拟研究。试验在Ma=6,25 km的条件下实现燃烧模态由超燃转换为亚燃,再转换为超燃的动态变化。数值模拟获得了对应燃烧模态下发动机燃烧室的流场参数变化及工作特性。将隔离段出口马赫数作为燃烧模态判别准则,基于隔离段绝热假设计算出隔离段出口马赫数,实现发动机燃烧模态的实时判别,并通过数值模拟结果验证了该方法的可行性。试验结果表明,改变燃料喷注方式能够实现燃烧模态的变化,亚燃模态下的性能明显高于超燃模态。数值结果表明,发动机隔离段及燃烧室内激波强度和位置受到横向射流与燃烧释热的共同影响,且不同燃烧模态下影响激波的主要因素不同。发动机燃烧室工作在亚燃模态下的性能最佳,总压恢复系数为0.44,总燃烧效率为0.79。其中,亚燃模态下硼颗粒和碳颗粒的燃烧效率分别为0.78和0.65。

颗粒参数对轴对称超声速气固两相流喷管性能的影响研究

为了探究凝相颗粒参数对固体火箭超燃冲压发动机尾喷管性能的影响规律,本文使用数值仿真方法,研究了颗粒的粒径、温度、入射角度及入射部位对轴对称超声速两相流喷管性能的影响。采用轴对称RANS控制方程和SST k-ω湍流模型模拟气相流场,颗粒轨迹则利用欧拉-拉格朗日方法计算。通过与文献试验结果对比,验证了数值方法的有效性。结果表明,增强两相之间的能量交互作用,是提高喷管性能的根本原因。减小颗粒粒径、提高颗粒温度、增大颗粒入射角和颗粒入射部位靠近壁面,均能增强两相之间的能量交互作用。其中,颗粒粒径变化对性能的影响最大,达到9%左右;颗粒温度次之,约为3%;颗粒入射角和入射区域对性能的影响较小,分别为1.2%和1.4%左右。

燃料贴壁式固体超燃冲压发动机推力性能研究

燃料贴壁式固体超燃冲压发动机具有比冲高、结构简单、维护方便等优点,但也伴随着发动机推力不稳定问题。基于能量守恒原理,建立了固体超燃推力零维模型。该模型避免了一维推力模型中数值奇异与数值刚性问题。基于此模型,开展了燃料质量流量与空气流量对固体超燃燃烧室推力的影响研究。结果表明,燃料质量流量特性对推力的稳定性有显著影响。通过燃面退移速率与燃烧室构型的匹配,理论上可以构造出使推力变化幅度较小的发动机构型。

含硼碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧试验研究

为提高碳氢燃料的能量密度,针对在高密度液体碳氢燃料中添加纳米硼颗粒的燃料方案,在超燃冲压发动机试验台上开展了点火燃烧性能试验验证。试验当量比为0.56~0.94,评估了硼颗粒添加对燃料喷注特性、比冲性能和固相沉积的影响。基于本文所用液体碳氢燃料,添加质量分数16%的硼颗粒可使超燃冲压发动机燃烧室平均密度比冲提升6.05%;硼颗粒添加会造成明显的壁面固相沉积问题,干扰压力测量系统获得有效数据。本试验初步评估了含硼碳氢燃料典型方案的喷注特性,获得了硼颗粒添加对燃料性能提升的定量结果。

固体燃料超燃冲压发动机原理性试验研究

进行了固体燃料超燃冲压发动机实验研究,并成功进行了点火和燃烧实验,包括固体碳氢燃料超音速燃烧试验和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)超音速燃烧试验。实验验证了固体燃料在超音速气流中能可靠点火,并保持了火焰的稳定燃烧,获得了固体燃料的超音速燃烧内弹道特性,同时研究了固体燃料PMMA在超音速气流中的燃烧,分析了其在超燃冲压燃烧室内的退移规律,认为燃料退移速度随时间变化,燃烧趋向于将燃面轮廓变平,区域显示圆柱形。

固体火箭超燃冲压发动机性能数值模拟研究

针对固体火箭超燃冲压发动机,设计了多级小角度扩张的超燃冲压发动机燃烧室结构,采用凹腔和扰流装置两种混合增强及火焰稳定方式,通过包含简化动力学的数值模拟方法,研究了不同构型燃烧室掺混燃烧性能。结果表明,燃烧室扩张角度对燃烧效率的提高有影响,但作用效果有限;凹腔结构虽然促进了燃烧反应的进行,有利于提高燃烧效率,同时也带来了较大的内部阻力;扰流装置较大的提高了一次燃气与来流空气间的掺混度,对于燃烧效率的提高意义明显。

固体火箭超燃冲压发动机补燃室构型的影响分析

针对不同补燃室结构参数对固体火箭超燃冲压发动机补燃室掺混燃烧性能的影响进行研究,分析各级燃烧室的长度与扩张角度对补燃室性能的影响。采用基于密度的二阶迎风格式对补燃室掺混燃烧进行模拟,湍流模型和燃烧模型分别采用SST k-ω模型和涡团耗散模型。结果表明,提高燃烧效率与降低总压损失是相互矛盾的;燃烧效率随燃烧室长度的增加而增大,随燃烧室扩张角度的增加而减小;总压恢复系数随燃烧室长度的增加而减小,随燃烧室扩张角度的增加而增大;一级燃烧室的结构参数对燃烧效率与总压恢复系数的影响最大。当补燃室的总长与出口面积一定时,以发动机的总体性能参数作为补燃室构型的优化目标,对一、二级燃烧室长度与一、三级燃烧室扩张角度进行优化。

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室掺混燃烧数值研究

根据国外研究机构的直连式试验数据,设计了固体燃料超音速燃烧室模型,建立了超音速燃烧数值计算的数学模型,通过数值模拟获得了超音速燃烧室流场内的气体状态参数分布。结果表明,超音速燃烧室静压随轴向距离的增加而逐渐降低;流场中心区域为混合超音速流动,而后向台阶的圆周区域为亚音速流动;燃烧效率随轴向距离的增加而增加。

带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室试验研究

以含硼贫氧固体推进剂为燃料,对带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型首次开展了地面直连试验研究。试验模拟了23km,5.5Ma的飞行工况,通过测量压强、推力和流量等参数,得出了燃烧室性能。试验结果表明:一次富燃燃气在燃气发生器喉部沉积导致燃气流量持续提高,试验过程中当量比由0.44逐渐增加至0.54;本文所研究的凹腔稳焰结构提高了富燃燃气中气相可燃组分的燃烧效率,但对于凝相颗粒燃烧的促进效果不明显;试验工况下发动机总燃烧效率约48%,高空比冲约为423s,高于文献中所报道的中心支板喷射稳焰的固体火箭超燃冲压发动机试验比冲性能。

固体燃料凹腔结构对超声速流动的影响

针对在超声速来流下燃烧室中增加凹腔结构能否提高固体燃料的掺混效果进行研究。采用基于密度的二阶迎风差分数值方法模拟了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室内不同凹腔结构的流场特性,并对燃料气体与来流气体掺混效果进行了分析。对比有无凹腔结构的燃烧室内流场各项特性,结果表明,超声速气流下凹腔结构对增强燃料掺混有明显的效果。对比不同长深比凹腔结构燃烧室中燃料与来流气体的掺混效率,结果表明,随着凹腔深度的增大,燃料和氧气的掺混效率逐渐增大;掺混效率达到了最大值后,再继续增大凹腔深度,掺混效率不会继续增大反而减小。在掺混效率达到最大值时,燃烧室出口处的总压损失也最大。

吸气式巡航飞行器对固体超燃冲压发动机应用需求分析

为了研究吸气式巡航飞行器对固体超燃冲压发动机的总体应用需求,首先系统总结20世纪60年代以来国外吸气式巡航飞行器的发展历程以及超燃冲压发动机技术的变革,梳理飞行器总体设计、液体超燃和固体超燃冲压发动机的技术脉络,从而研判出未来吸气式巡航飞行器将向着"多平台强约束、长时间高性能、大速域宽空域"的趋势发展。然后对比分析液体超燃和固体超燃冲压发动机的优劣势,提出固体超燃冲压发动机以其独特的优势将逐渐成为支撑吸气式巡航飞行器应用的关键技术。最后详细分析吸气式巡航飞行器对固体超燃冲压发动机在长时间巡航、高比冲性能、长时间防隔热技术、高性能贫氧推进剂配方、高效燃烧组织技术和宽范围流量调节技术等方面的需求和解决措施。研究成果可以为吸气式巡航飞行器和固体超燃冲压发动机发展规划提供重要参考。

等直段直径对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

为了研究燃烧室内等直段直径的尺寸对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能及流场特性的影响,基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,对不同等直段直径燃烧室工作过程进行数值模拟。采用基于压力的二阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation),湍流模型采用SST k-ω模型。PMMA燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分析不同等直段直径下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化。数值模拟结果显示:随着等直段直径的增大,燃烧室可由壅塞状态转变为超声速流动状态,增大至某一数值(约为16.5mm)附近时,燃烧室出口可以达到完全膨胀状态。同时,燃烧室的燃烧效率逐渐增大,出口处燃烧效率由62.45%增大至72.74%。总压损失也逐渐增大,出口处最大值可达52%,而燃烧室推力逐渐减小。

燃气喷射方式对固体火箭超燃冲压发动机性能的影响

利用数值模拟方法研究了不同喷孔参数对固体火箭超燃冲压发动机补燃室性能的影响。采用基于密度的二阶迎风格式对补燃室掺混燃烧过程进行模拟,湍流模型和燃烧模型分别采用SST k-ω模型和涡团耗散模型。计算结果表明,喷孔数量、喷射角度θ以及喷孔分布半径r对补燃室的掺混燃烧性能均存在明显影响;其中,喷射角度θ对补燃室掺混燃烧性能的影响最大;存在最佳的喷孔数量使得燃烧效率最大;随着喷射角度θ与喷孔的分布半径r的增加,燃烧效率逐渐增加,但总压恢复系数逐渐减小。

不同来流条件下固体燃料超燃冲压发动机性能评估

根据固体燃料超燃冲压发动机的工作特点,以飞行Ma=6、高度25 km为设计条件,对发动机各部件进行了初步设计。采用数值模拟方法,研究了不同来流条件下发动机各部件及总体性能的变化规律。结果表明,设计状态下的进气道流量系数接近1,来流马赫数降到4时,进气道启动失败;随来流马赫数的增大,火焰温度整体升高,燃烧效率逐渐降低;发动机在设计状态下产生的推力最大,比冲随来流马赫数的增大而降低。

固体火箭燃气超燃冲压发动机概念分析(Ⅰ)——全流道一体化设计

针对中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机,从大气模型、进气道、燃烧室及尾喷管四个模块出发完成了其一体化流道设计。针对所设计的发动机设计点及非设计点,采用全流道一体化数值模拟的方法对发动机设计的合理性进行了验证。研究结果表明,发动机设计点及非设计点进气道均已启动,燃烧室及后体工作状态良好,验证了发动机设计的合理性;碳颗粒的燃烧效率限制了发动机整体的燃烧效率水平及发动机性能,发动机设计点整体的燃烧效率为49%,比冲仅有3674.61 m/s,提升碳颗粒的燃烧效率作为固体火箭燃气超燃冲压发动机性能提升的关键点;由于燃烧室长度可能较短,构型较为简单,这对于发动机的一体化设计是不利的,如果能合理布置燃烧室构型,则对固体火箭燃气超燃冲压发动机的二次补燃效率及发动机性能的提升有所帮助。

固体火箭超燃冲压发动机地面直连试验

针对采用碳氢固体推进剂的固体火箭超燃冲压发动机开展了地面直连试验。介绍了试验系统,测量了推力、压力、温度和质量流量等参数,分析了试验结果,得到燃烧室的性能。燃烧室总压损失为74.1%,燃烧效率为84.0%,推力增益为0.718 k N,推力增益比冲为3 726.9N·s/kg。

固体燃料超燃冲压发动机研究概况

对固体燃料超燃冲压发动机的应用背景、潜在优势,以及国内外研究现状和进展做了详细阐述。从固体燃料超燃冲压发动机工作原理、固体燃料类型、数值模拟以及实验研究等方面出发,论述了固体燃料超燃发动机研究的进展和难点,并对固体燃料超燃冲压发动机未来研究趋势进行了展望。研究认为:固体燃料在超声速流动下的热量分布与表面火焰传播等方面还需要深入研究,需建立不同固体燃料的受热行为模型;应用大涡模拟方法分析微尺度下流场结构并耦合固体燃料传热传质过程的可行性需进一步确认;考虑飞行参数,进气道与隔离段性能的发动机整体数值模拟工作需要进一步加强。