进气道结构对含硼固冲发动机二次燃烧性能影响分析

采用标准k-ε湍流模型,单步涡团耗散燃烧模型以及高速气流作用下KING硼粒子点火燃烧模型,开展了不同进气道结构下冲压发动机补燃室内含硼颗粒三维两相燃烧流动数值模拟;分析了在6种进气道结构对硼颗粒点火燃烧以及燃气燃烧效率的影响;研究结果表明：在相同的边界条件下,进气道结构形式对硼颗粒点火影响不大;燃气燃烧效率在双侧180°的进气结构下最高,双下侧90°进气结构的燃气燃烧效率最低;硼颗粒燃烧效率在双侧180°时燃烧效率最高,在中心进气结构下硼燃烧效率最低;补燃室内总燃烧效率在双侧180°进气道结构时最高,在中心进气结构下最低。     

底排点火具射流特性对点火延迟时间的影响

为了研究底排点火具射流特性对底排药柱点火延迟的影响,基于一种两相流点火理论模型和一定的假设条件,针对某155 mm底排弹出膛口后的二次点火过程及点火射流特点,就底排点火具的两相射流点火过程进行了数值模拟.计算得到了点火软化和延迟时间,给出了底排药柱着火燃烧前的径向温度分布情况,分析了点火射流温度、固相颗粒直径、颗粒相浓度参数变化对点火软化时间和点火延迟时间的影响,研究结果对指导点火具和底排药柱的改进设计具有参考价值.     

粒径和晶形对硼颗粒点火燃烧特性的影响

针对粒径和晶形对硼颗粒燃烧的影响机理,利用激光点火系统研究了硼颗粒的点火燃烧特性。结果表明,在25~65 μm范围内,晶体硼点火延迟时间随粒径变化无明显规律,点火延迟时间在13~19 ms之间。晶体硼和无定形硼燃烧效率均随粒径增加而增加。当粒径小于65 μm,硼表面氧化层是影响硼燃烧效率的决定性因素。55 μm的晶体硼不仅点火延迟时间最短,而且燃烧最剧烈,表明55 μm可能是晶体硼颗粒点火燃烧性能最佳的尺寸。无定形硼的点火延迟时间要远低于晶体硼,燃烧效率、火焰强度及发射光谱强度也比晶体硼高。相对粒径,点火延迟时间对晶形更加敏感,晶形对硼点火燃烧具有更强的影响作用。     

底部排气装置快速降压过程中燃烧流动特性数值分析

为研究底部排气（简称底排）装置出炮口时发射药燃气流动特性和点火具瞬态燃烧特性,采用半密闭爆发器模拟底排弹出炮口时的快速降压过程,借助高速录像系统观测了近喷口喷焰羽流的发展行为,并以此验证数值模型的有效性。在试验基础上,采用高分辨率迎风格式AUSM⁺、两方程Realizable k-ε湍流模型和有限速率化学模型,建立了降压过程中发射药燃气与点火具燃烧射流相互作用的二维轴对称模型,并以基于内节点的有限体积法进行数值模拟,分析了底排装置降压过程中两股高温燃气射流的耦合特性。结果表明：底排装置降压过程中,喷焰羽流由超音速强欠膨胀射流逐渐转变为亚音速流动,波系结构经历马赫反射到规则反射的转变,形成周期性钻石型激波和菱形火焰串,最终变成连续火焰;喷焰羽流变成亚音速流动后,底排装置内点火具火焰下游处径向热对流和热扩散比上游更强烈,底排药柱下端温度最高,首先复燃。     

硼在固体推进剂中的应用展望

对硼颗粒的点火和燃烧特性研究进行了简要的叙述, 结合硼颗粒点火和燃烧研究进展及其应用情况, 认为以下四方面将会促进硼在固体推进剂中的应用, 即固体火箭发动机整体级方案选用洁净固体推进剂技术、高性能火箭发动机技术、新材料合成技术的发展促进硼在固体推进剂中的应用以及硼在调节固体推进剂燃烧特性中所起的作用.     

横向过载下气-粒两相流对固体火箭发动机点火过程影响

固体火箭高速自旋诱发的过载环境会引起燃烧室内流动、传热和燃烧耦合关系的改变,致使发动机点火特性区别于常规点火,对点火可靠性和弹体安全产生潜在威胁。为了研究过载下固体火箭发动机点火过程特性,建立耦合颗粒惯性过载场、颗粒碰撞推进剂增强传热、推进剂侵蚀/过载耦合燃烧、流场惯性过载场效应的综合点火模型。对不同横向过载方向、大小以及颗粒粒径下点火过程进行计算,给出了动态气-粒分布特征,分析了颗粒粒径与过载大小对点火峰值压力p_max、点火滞后时间ξ₁、火焰传播时间ξ₂和火焰填充时间ξ₃的影响规律。研究结果表明：点火过程中过载方向引发气-粒分布规律存在明显差异,进而影响推进剂传热与内弹道在时域的缩短规律;相同过载环境下,粒径减小,点火滞后时间ξ₁和火焰传播时间ξ₂缩短,而对火焰填充时间ξ₃的影响基本可以忽略;在大长径比发动机中,点火颗粒粒径不变,点火延迟时间ξ随过载增加而缩短。     

基于多孔介质模型的点火火焰在发射药颗粒床中的传播特性

为了研究中心传火管点传火结构下点火药燃烧后产生的火焰在发射药药粒填充床中的传播特性,使用多孔介质模型模拟发射药药室颗粒填充床,并采用N-S方程模型对点火药燃烧产生的高温高速气体在发射药颗粒床中的流动传播过程进行数值仿真计算,并以温度场的等温面传播等效于火焰阵面传播,仿真数据与试验数据进行对比。结果表明,在密实装药床下,点火火焰传播过程中,以等温面等效于火焰阵面,火焰传播速度的仿真计算值为91 m·s^-1,与试验测得96 m·s^-1较为接近;仿真得到的高温火焰气体传播的温度场云图与试验拍摄的火焰传播图像具有较好的一致性;采用多孔介质模型计算所得的膛内3处测压孔的压力数据与试验测得的压力数据吻合度较高。     

用脉冲X射线检测膛内射击现象

本文介绍利用脉冲X射线对膛内射击现象进行测试的方法,给出用脉冲X射线拍摄的膛内燃烧的火药及其流动情况的部分照片。对底火与中心传火管两种不同点火方式对药床运动的影响进行了比较,发现了在火炮发射过程中火药基本停留在药室内燃烧等重要现象,并分析了照片上所获得的火药燃烧时的膛内问题。     

固冲发动机补燃室内硼颗粒点火和燃烧数值研究

采用颗粒轨道模型进行了含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室两相流的数值模拟,其中硼颗粒的点火和燃烧模型采用的是King模型,建立了发动机补燃室内简单反应流模型,并在该模型下对某实验发动机进行了模拟,得出颗粒在补燃室内的分布,结果表明:进入头部回流区的硼颗粒能够快速点火,并且颗粒直径增大后,点火时间增加,颗粒燃烧效率显著降低.     

镁合金可燃内衬对底排药柱动态形变及燃烧稳定性的影响研究

为了解决复合底排药剂在发射过程中出现的药柱破碎、燃烧失稳等问题,提出了在底排药柱内腔直接加装一种具有短暂性结构保护和辅助燃烧作用的镁合金可燃内衬的防护、助燃措施。利用ABAQUS软件建立了底排药柱在极端工况条件下有、无可燃内衬时的发射过程有限元仿真分析模型,并进行了动态射击对比验证试验。仿真分析表明：可燃内衬能够有效防止底排药柱过度变形。动态射击对比验证试验结果表明：加装可燃内衬后,弹丸平均初速提高4.97 m/s;同时,底排药柱点火燃烧的一致性和稳定性均有所提高。     

大型运载火箭,天地往返运输系统主发动机的发展

本文通过世界发展航天技术的先进国家在探索、研究大型运载火箭与天地往返运输系统动力装置方面所取得的成就说明液氢燃料(由于其具有高比冲等独特的优越性)在航空航天技术发展中越来越显示了无比的竞争力。论述了高压分级燃烧氢氧发动机是大型运载火箭芯级动力装置,也是天地往返系统轨道级重复使用动力装置的发展方向,同时指出氢、氧、烃双燃料三组元发动机是大型运载火箭动力装置的新发展方向。论述了以氢为燃料的吸气式组合发动机是发展天地往返运输系统空天飞机动力装置的可能趋势。     

可燃介质中高温火团诱导的爆炸及其抑制

本文对高温火团诱导的爆炸及惰性颗粒的抑爆过程进行了数值研究.这种带激波的两相化学反应流动,由于各种特征时间的差异,方程具有刚性.本文利用分裂格式处理方程刚性,用全耦合有限体积的TVD格式和Lax-Wendroff-Rubin格式分别求解气相和颗粒相方程.结果表明,仅当火团在其周围形成适当的温度梯度时,才可能导致爆炸,这要求火团初温不能过低或过高.抑爆剂加入时,浓度大于某值才有效,否则,无论多大的抑爆区域皆不能抑制爆炸.本文还对颗粒直径,颗粒密度等对抑爆效果的影响进行了讨论.     

某型运载火箭发射流场数值模拟

为了更真实地反映发动机尾焰流场的特征,以某型运载火箭为例,对其流场数值进行模拟.运用计算流体力学方法,以3维双喷管发动机为模型,考虑尾焰工况为氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气组成的混合气体,对运载火箭的发射流场进行模拟仿真,分析尾焰流的近场激波系结构和参数分布特征等.分析结果表明:混合气体情况下的流场各个参数分布和激波系结构与理论分析结果一致,地面上距离喷管中心1 m位置处受最大压力,大约为0.4 MPa,在两喷管中心温度最高,为2700℃,为后续相关实验测量提供了参考和理论依据.     

带支板超燃冲压发动机燃烧流动过程试验研究

利用高速摄影对激波诱导点火及流场内部的燃烧流动过程进行了观测,对不同时刻的流场火焰分布进行了比较分析,结果表明:支板和斜坡所产生的激波能够诱导氢气自燃,增强局部的燃烧效率,当其持续存在时,还可稳定氢气的燃烧。诱导氢气与煤油共同燃烧时,燃烧室内发生了热力壅塞,此时煤油的穿透度大幅度提高,火焰分布范围更广,稳定火焰的难度降低,支板与斜坡所引起的阻力也随之减小。     

气氧甲烷火炬式点火器稳态仿真分析

为了对一种气氧甲烷点火器内部燃烧情况进行评估,针对该点火器的燃烧反应、流动及工作特点,应用CFD计算方法进行了稳态仿真分析。该点火器为保证其重复使用可靠性,采用电火花起火点燃高混合比燃气后补燃的设计,此种设计点火器内燃烧环境特殊,流场较为复杂,中国缺乏相应的设计经验。通过数值仿真很好地预测出了点火器的出口温度及烧蚀位置,并为该点火器的改进提供了参考。     

WBS-RBS 法与故障树分析法结合的加注系统危险识别技术

针对航天发射加注系统工艺严谨、设备繁多和操作复杂的特点,传统 FMEA 危险识别方法只能考虑单一失效模式,具有危险辨识不完整的特点,特别是在高危险性的航天发射操作过程中,难以识别出完备的危险因子;采用WBS-RBS 与故障树分析结合的方法对“液氢加注系统管路发生严重事故”进行危险识别,可见采用本方法能识别出更完备的危险源,这是由于本方法完善了人机交互、系统接口。所提方法可以应用到航天发射场的风险辨识,为航天发射风险管理提供了参考。     

CZ—3运载火箭

本文简要地介绍了CZ—3运载火箭(CZ—3)的研制情况、结构及性能。CZ—3是我国第一次采用液氢和液氧作推进剂的火箭,由于液氢的温度极低而且易爆,所以火箭上采用了绝热结构,对低温密封和防爆也采取了相应的措施。CZ—3第三级是两次启动的火箭,除了其发动机本身要适应两次启动的要求之外,为了保证火箭在滑行段的姿态稳定和火箭的正常启动,箭上增加了滑行段的姿态控制和推进剂管理系统。     

整装式液体发射药燃烧推进过程的内弹道特性

为研究液体药燃烧过程中的压力波以及Taylor-Helmholtz不稳定效应对内弹道性能的影响,针对12.7 mm小口径整装式液体药燃烧发射装置,利用有限元分析软件ANSYS建立气体与液体两相反应流数理模型。通过数值模拟得到液体发射药燃烧过程中Taylor空腔气体与液体界面的演化特性,以及组分质量分数、液体药蒸发速率、化学反应速率和温度云图。结果表明：蒸发和燃烧反应主要发生在Taylor空腔表面,而产物则会均匀地扩散到整个空腔;同时由于Helmholtz不稳定效应,空腔表面会出现褶皱现象。在整个扩展过程中,空腔的轴向扩展速度远大于径向扩展速度,药室四周仍残留有较多液体药,在Helmholtz不稳定效应作用下参与燃烧,从而导致其内弹道稳定性变差,压力振荡加剧。     

膨胀波火炮两相流内弹道性能分析与数值模拟

根据膨胀波火炮(RAVEN)系统的发射机理及结构特点,采用两相流理论,建立发射过程中计及膛内气固两相相间作用及后喷装置动态打开过程的两相流内弹道模型,给出了相应的数值求解方法。通过对RAVEN内弹道过程的求解分析与实验比对,得到了发射过程中,膛内火药燃烧及燃气流动状态的变化规律,给出了后喷装置引入所产生的有别于传统闭膛火炮系统的膛内流动现象,验证了RAVEN内弹道两相流模型的正确性。通过数值求解计算可得到:1)RAVEN系统在不影响炮口动能的前提下后坐冲量减小53.04%,身管热量降低50.42%;2)后喷打开时机越早,减小系统后坐,降低身管热量的能力越强;3)喷管截面参数的变化对减小系统后坐、降低身管热量能力的影响很小。