基于超声的标准发动机动态燃速测试技术

以标准发动机的动态燃速测试技术为研究对象,应用超声测厚原理获取固定声速点火条件下的发动机动态燃速、压强数据;分析提出一种基于特征点的动态燃烧信号辨识方法,获取发动机点火过程中推进剂退移厚度与时间变化数据;通过试验的方法建立常温状态不同压强下的声速校准模型,结合测试过程压强数据计算得到发动机点火过程中超声的实时声速,代入前期在固定声速条件下获取的推进剂退移厚度与时间数据中,通过求导获取点火过程中发动机的实时燃速。计算结果表明:基于超声的动态燃速测试方法能够实现整机的动态燃速测试,具有较高的时间分辨精度,其中基于超声的动态燃速测试燃烧时间与传统压强-时间曲线计算得到的燃烧时间误差为0.235%。此外,对比发动机点火后压强-时间与动态燃速-时间曲线发现,发动机建压完成后的动态燃速与压强曲线变化趋势呈一定相似性。

小推力长工作时间固体火箭发动机喷管温度仿真分析

利用FLUENT发展了一种瞬态流-固-热一体化一步耦合三维有限元分析方法,并用该方法分析了一种采用无铝PET推进剂的小推力长工作时间(130 s)固体火箭发动机喷管温度场分布情况。分析结果表明,从喷管中心到喷管表面温度逐渐降低,喷管喉部中心温度达到2200℃以上,喉衬温度为1481~2000℃,隔热层温度为134~1864℃,壳体温度为134~234℃;喷管中心轴线上各点的温度开始时急剧增加,20 s后基本保持不变,从喷管出口到喷管入口,沿喷管中心轴线温度逐渐增加;喷管壳体表面温度随工作时间增加而增加,随离喷管出口的距离增加先增加而后逐渐降低;喷管喉部壳体表面温度最高,达220℃左右;推进剂燃温增加,喷管金属壳体表面温度呈线性增加;换热系数增加,金属壳体表面温度近似线性降低;燃烧室压强变化对金属壳体表面温度影响不大;隔热材料EPDM、5-Ⅲ和GFM降低金属壳体表面温度的效果突出。选用合适的隔热材料,做好喷管喉部位置的热防护是降低喷管壳体表面温度的有效方法。发动机试车结果与仿真结果吻合,验证了仿真分析方法的正确性。该瞬态流-固-热耦合一体化一步分析法,克服了过去流-固-热耦合方法步骤多、绝热假设不符合实际情况的局限性,可为合理设计固体发动机喷管、控制喷管温度提供依据。

预聚时间对CE/EP树脂体系固化行为的影响

采用酚醛型环氧改性氰酸酯树脂(CE),通过预聚工艺解决CE树脂的室温结晶和析出问题。利用凝胶时间、差示扫描量热(DSC)、红外光谱(IR)、流变仪和凝胶色谱(GPC)等分析手段跟踪CE/EP树脂体系的预聚反应过程,研究预聚时间对凝胶时间、固化反应、分子结构、流变行为、相对分子质量和复合材料金相结构的影响,获得CE/EP树脂体系的预聚工艺参数。结果表明,CE/EP树脂体系的固化反应包括1个吸热区和2个放热区,生成不同化学结构的生成物。CE/EP树脂体系的固化度、粘度和相对分子质量随预聚时间的延长而逐渐增大,而凝胶时间却随预聚时间的延长显著降低。预聚时间还影响碳纤维复合材料的金相结构,孔隙率随预聚时间的延长逐渐降低。通过研究,掌握CE/EP树脂体系粘度和相对分子质量的控制方法,降低固化温度,改善CE树脂与碳纤维间的浸润性和粘接性,为制备高性能碳纤维预浸料和工程化应用提供高性能树脂基体。

石墨烯/陶瓷复合材料的研究进展

在陶瓷中引入第二相材料是改善陶瓷材料结构和性能的有效途径。纤维、晶须、颗粒等用于改善陶瓷,但难以满足陶瓷材料的应用要求。石墨烯具有大的比表面积和优异的机械、导电、导热等性能,是制备性能优异的陶瓷复合材料的理想填料。系统总结了石墨烯/陶瓷复合材料的研究成果,综述了石墨烯/陶瓷复合粉体的制备方法、成型工艺和致密烧结工艺技术,评价了制备方法对石墨烯和复合材料的影响。总结了石墨烯/陶瓷复合材料的机械、导热、导电和摩擦磨损性能,并揭示了复合材料性能改善的机理。最后,指出了石墨烯/陶瓷复合材料面临的挑战和发展方向。

DNTF与凡士林混合体系相互作用研究

为了更好地评价DNTF基推进剂在生产、储存和运输等过程中的潜在危险,以3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)和推进剂中的惰性添加剂凡士林为研究对象,从实验和理论两方面研究了凡士林与DNTF之间的物理与化学相互作用。利用差示扫描量热仪(DSC)发现混合体系(1∶1)的分解峰温比与纯DNTF提前了73℃。通过原位红外光谱分析了凡士林对DNTF的促进作用。通过分子动力学分析了DNTF与凡士林主要组分(C_(20)H_(42)、C_(25)H_(52)、C_(30)H_(62))和杂质组分萘之间的共混模型,两者在低温下主要是范德华相互作用和静电作用。同时,采用溶度积方法证明DNTF与凡士林组分的相容性较差。

百千瓦级大功率磁等离子体动力推进系统设计研究

基于强磁场线圈的一种新型100 kW级水冷附加场磁等离子体动力推进系统MAT-100S(100 kW applied-field magnetoplasmadynamic thruster system)由强磁线圈、空心阴极、扩张型阳极、水冷系统、电源处理单元。推进剂供给系统,热控子系统等组成。目前,整个系统还处于研究之中,各个模块在进行研制和试验。已进行了在强磁环境下等离子体动力推力器的试验研究,对推力器的性能进行了初步测试。在磁场强度0.4 T下,MAT-100S达到1.35 N(34 mN/kW)推力、比冲4200 s、效率70%。试验结果表明,强磁环境下,MAT-100S推力上有明显提升,羽流特性也有显著改善。说明在强磁场下可有效提高推力器的稳定性和性能。通过和小功率电推进和化学推进在实际任务中进行对比,推进剂消耗只有化学推进的1/10,传统电推进的1/2。在完成任务时间方面,消耗的时间只有传统电推进的1/3。采用强磁场磁等离子体动力推进系统能够更好地完成轨道转移和深空探测等任务,是一种非常有发展潜力的推进系统。

碳/碳复合材料喉衬烧蚀过程的数值分析及试验研究

喉衬是固体火箭发动机非常关键的部件。自20世纪60年代起,碳/碳复合材料即在固体火箭发动机中得到广泛应用。喉衬材料不仅要承受热负荷、力学负荷和热冲击,还要经受化学侵蚀。喉衬的烧蚀规律,尤其是烧蚀速率及烧蚀机理,对于火箭的研制具有重要意义。采用理论分析、数值仿真及试验研究相结合的方法,具体分析了某固体火箭发动机碳/碳喉衬的烧蚀过程。理论方面,将烧蚀划分为热化学烧蚀及机械剥蚀,建立能量平衡方程。借助商业软件MSCMarc,建立简化的边界条件,采用精确的材料参数,获得了喉衬的烧蚀速率。结果表明,喉部前端烧蚀最为严重,平均烧蚀率约为0.068 mm/s。采用微米CT三维重构技术,获得了试验前后喉衬形貌,得到了喉衬各点烧蚀率。数值结果同试验结果最大误差约为20%。考虑到数值模拟忽略了点火阶段及拖尾段对喉衬的烧蚀作用较小,数值分析得到的烧蚀率应大于实际。

基于模型参考自适应的大气层外杀伤拦截器姿态控制系统设计

大气层杀伤拦截器制导控制系统采用矢量喷管进行姿态与惯导控制,系统输出的开关特性具有强非线性,同时,姿态角指令进行突变时会相应地带来控制力矩指令突变,要求能够实现对姿态角指令的快速调节,且考虑姿控发动机喷气量。针对上述问题,设计了一种姿态角跟踪控制器,使用带有超前校正的死区迟滞继电控制律进行开关控制,并使用变结构模型参考自适应方法进行连续控制律设计,以提高开关控制器的工作效率,减少工作能耗。仿真结果表明,所设计的方法相较对比方法在快速性和精确性上均有提升,蒙特卡洛仿真结果显示,设计方法拦截精度为0.44 m,较对比拦截方法有较大提升。综上,设计方法能够以更快速的响应、更小的超调实现指令姿态角度的跟踪,且姿控发动机喷气用量有效减少,对工程实践有一定指导作用。

《固体火箭技术》专刊征稿启事

为了全面展示固体动力技术领域的新成果、把握专业技术未来发展的新方向,作为我国该领域的专业学术交流平台,本刊编辑部特发起"固体火箭发动机技术研究新进展及未来新设想"、"固体推进剂及装药工艺新技术"和"航天特种及新概念推进动力系统"三个主题的专刊(正刊)征稿活动,欢迎广大科研人员踊跃投稿。

低温动态HTPB推进剂强度准则研究

为开展HTPB推进剂强度准则研究,设计了不同比例条件下板条推进剂尺寸形状。根据计算及仿真结果可知,随着W/L2倍数不断增大,设计尺寸板条试件可以在单轴拉伸条件下实现近似1∶2、1∶2.5、1∶3、1∶3.5和1∶4等应力比等效的双轴拉伸。针对应力比为1∶2板条开展低温动态(25、-30、-50℃和0.4、4.0、14.29、42.86 s-1)准双轴力学性能试验,试验表明:随着温度的降低、应变率的升高,推进剂的最大抗拉强度、初始模量逐渐增大、最大伸长率逐渐减小。并根据其典型力学性能参数构建强度包络线:推进剂强度包络线随着温度降低范围逐渐增大,即HTPB推进剂强度随着温度降低而增强。通过获取的试验结果建立不同条件下HTPB推进剂强度包络线,可以为低温点火条件下HTPB推进剂结构完整性分析提供数据支持。

宽速域变构型高超声速飞行器气动特性研究

为解决高超声速飞行器在低/跨/超声速时气动特性不佳的问题,实现水平起降、跨速域飞行的目标,设计了一种宽速域变构型高超声速飞行器。采用数值计算的方法对飞行器的低速、超声速和高超声速气动特性和典型流场进行了研究分析,得到了升力系数、阻力系数和升阻比随攻角和马赫数的变化规律。结果表明,飞行器在低速和高超声速时的气动特性较好,最大升阻比分别为15.37和4.08,低速时连接翼提供了高升力,高超声速时乘波效果显著;超声速时,阻力系数和升阻比受马赫数影响较大,最大升阻比为4.8。数值计算的结果表明飞行器在全速域范围内气动特性较好,在保证高超声速良好气动特性的前提下,提升了低/跨/超声速性能。

固体推进剂药浆流平性对发动机装药结构完整性的影响

为分析固体推进剂浇注质量对发动机装药结构完整性的影响,首先采用流平仪对推进剂药浆放置不同时间后的流平性进行了试验,然后通过单轴拉伸试验和微 CT 扫描试验对相应条件下推进剂的力学性能和孔隙率进行了研究,最后结合有限元计算方法对发动机装药的结构完整性进行了分析。结果表明,随着推进剂药浆放置时间的增加,推进剂流平性逐渐变差,药浆放置 5 h 后药面有条痕堆积现象,但推进剂的单轴拉伸力学性能差异并不大。通过微 CT 扫描试验发现,推进剂药浆放置时间由 1 h 增加到 5 h,孔隙率由 2.65‰增大至 7.97‰,使得推进剂泊松比降低,导致发动机装药在低温点火压力载荷下的变形增大,安全欲度降低。

复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计分析

针对固体火箭发动机复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计问题,提出了基于拓扑优化和多参数目标驱动优化相结合的两步设计法。首先针对挂机飞行金属结构进行拓扑优化,优化后结构质量由8.6 kg降低至6.0 kg,实现了结构轻量化设计目的;然后针对复合材料挂机飞行一体化结构进行多参数目标驱动优化并进行参数敏感性分析,结构整体质量由6.0 kg进一步降低至5.94 kg。参数敏感性分析结果表明,挂飞连接支座上肢板厚度为关键尺寸,而挂飞结构外缠绕层宽度对整体结构强度贡献较小。静力载荷试验结果表明,壳体及挂机结构应变在10~140 kN前应变与载荷基本呈线性增长,当超过140 kN后挂机结构外部环向纤维开始断裂,挂机结构出现破坏,载荷设计值与实验值相对误差为15.6%,这是由于载荷试验采用单一吊耳加载而导致结构受力过于集中而相对容易发生破坏。

强噪声下结构小损伤检测的小波特征量研究

将小波分析用于强噪声背景下的结构小损伤特征量研究,对于含有微小损伤的结构动力学模型,通过改变输入激励获取不同输出信噪比的响应信号,再通过响应信号的小波分解构造反映结构损伤的特征量,同时研究了输出信噪比对结构损伤特征量的影响。结果表明,在不同的信噪比情况下提取的结构损伤特征信息与信噪比大小呈现出非线性特征。对结构损伤检测的目的而言,存在一个最佳的信噪比,而不是噪声干扰越小越好。

炭纤维复合材料壳体封头新型环向补强的数值模拟及试验

针对内压承载工况下炭纤维复合材料壳体封头的补强问题,基于网格理论完成了不同封头补强方式的480 mm纤维缠绕壳体的设计;利用商业有限元软件Abaqus和二次开发语言Python建立了含有补强结构的复合材料壳体的细观仿真模型,并通过数值仿真方法对接头附近的封头环向、纵向补强结构的补强作用规律进行了计算研究;通过壳体产品研制和水压试验研究了不同补强方法的成型工艺性和对内压承载性能的提升效果。结果表明,采用环向补强技术的封头内压下具有更低的纤维方向应变和层间剪切应力;采用环向补强技术的封头内压下具有更大的轴向变形,更小的法向变形,与纵向补强方法结果相反;采用环向补强壳体的封头内压承载性能和稳定性能明显优于纵向补强方法;采用环向补强的复合材料壳体容器特征系数比纵向补强复合材料壳体提高了约5%。

2,4-二硝基咪唑含能锂盐的热分解行为及其对AP热分解的催化作用

为寻求2,4-二硝基咪唑为配体的新型含能催化剂,以2,4-二硝基咪唑和碳酸锂为原料,丙酮为反应溶剂,合成了2,4-二硝基咪唑含能锂盐(Li-DNI)。采用元素分析,1HNMR,13CNMR和XPS表征其结构。采用TG-DTG和DSC分析了Li-DNI的热分解行为及Li-DNI与高氯酸铵(AP)热分解反应过程中的互为催化反应。用Kissinger公式和Ozawa公式计算了Li-DNI热分解反应的表观活化能及Li-DNI/AP混合物在低温分解阶段(LTD)和高温分解阶段(HTD)的非等温反应动力学参数。结果表明,Li-DNI分子式为Li C3HN4O4·H2O。Li-DNI热分解过程主要由一个吸热熔融峰和分解放热峰组成,相应峰温分别为84.5℃和310.7℃,放热分解反应表观活化能为153.3 k J/mol。Li-DNI与AP热分解反应过程中产生互为催化作用:Li-DNI可加快AP热分解,使AP在LTD和HTD阶段的峰温和表观活化能分别降低41.8℃和75.6℃,56.0 k J/mol和10.8 k J/mol,表观放热量增加432.3 J/g,显示Li-DNI对AP热分解具有较好的催化作用。AP也可加速Li-DNI热分解,可使Li-DNI剧烈分解阶段的峰温提前19.9℃。

长时间小过载情况下固体火箭发动机两相流流场数值模拟

对某飞行失效固体火箭发动机在长时间小过载情况下的三维两相流内流场进行数值模拟。在计算过程中,考虑了发动机实际飞行过程中由于自身旋转所带来的科氏加速度的影响。针对3个典型时刻,采用DPM模型和Sommerfeld数为判定准则的颗粒壁面碰撞模型,模拟固体火箭发动机的两相流流动,分析两相流流场特点,并给出了颗粒沉积分布区域以及沉积区域最大处颗粒冲刷的角度、速度及粒径统计分布。结果表明,在长时间小过载的情况下,发动机内流场原有的轴对称流动形态发生了改变,颗粒相在承载方向浓度增大,且颗粒沉积的最大浓度区域主要分布在发动机后封头的圆弧过渡段。数值仿真结果可为该类发动机后续的热防护设计提供一定的指导依据。

紫外光辐照对PBO纤维复合材料力学性能的影响

采用紫外光加速老化试验箱、材料试验机和DMA研究了紫外光辐照时间对PBO纤维复合材料性能的影响。研究结果表明:紫外光辐照导致PBO纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及层间剪切强度出现了一定程度的下降,但对复合材料的模量影响较小;经紫外光辐照一定时间后,PBO纤维复合材料的耐热性和刚性均有所提高,随着辐照时间增加,复合材料的E′和E″向低温方向移动,表明复合材料的耐热性和刚性又开始下降。