液氧/甲烷发动机推力室再生冷却耦合传热数值研究

为了解液氧/甲烷火箭发动机推力室再生冷却的换热特点,采用数值模拟的方法,对液体火箭发动机推力室身部燃气与室壁间的对流、辐射换热以及通过室壁的导热、冷却剂与冷却通道间的对流换热进行了三维耦合数值计算.在计算中,假定推力室内流动为冻结流动,考虑了跨临界甲烷物性随温度和压力的变化.针对某甲烷再生冷却推力室进行CFD计算,计算结果与实验数据吻合较好.     

再生冷却氢氧推力室传热计算方法研究与优化

推力室传热计算对液体火箭发动机的研制非常关键,然而传统的再生冷却传热计算模型在针对氢氧火箭发动机时存在较大的误差。通过对推力室燃烧与流动过程的分析,并结合部件传热试验数据,考虑到雾化蒸发过程、燃气雷诺数大小以及普朗特数拟合公式计算偏差等因素的影响,提出改进的再生冷却传热计算模型。分别使用这两种模型对某型氢氧发动机推力室在不同工况下的传热过程开展计算,并与试车试验结果进行对比,发现改进的再生冷却传热模型具有更高的计算准确度和更好的针对不同工况的适用性。     

液氧/甲烷膨胀循环发动机启动过程研究

针对某型氢氧膨胀循环发动机直接换甲烷技术可行性进行研究。在氢氧膨胀循环发动机系统构成的基础上,通过启动仿真计算分析液氧/甲烷膨胀循环发动机上的启动特性,确定试验方案,进行点火试验。依据试车数据,进行比较分析,对仿真模型进行修正,为后续液氧/甲烷膨胀循环发动机的研究奠定理论基础。     

液氧/甲烷分级燃烧火箭燃烧器的研究

用小尺寸推力室对使用液氧/甲烷推进剂的分级燃烧火箭燃烧器作了实验评价。对富燃预燃室和主燃烧室分别作了试验。预燃室/主燃烧室组合试验时,主燃烧室压力为7至9.6兆帕,混合比为3.1到3.7,预燃室燃气温度为760到1070k,推力为4.6到6.4千牛。对不同类型喷注器的预燃室和主燃烧室进行了性能、主燃烧室内的热流分布和室壁(包括喷注器面)上积炭的评定。得出了主燃烧室燃烧效率的经验公式。在组件内任何地方都未发现有显著的积炭,也未测到因室壁积炭而引起的热流显著下降。     

再生冷却技术在超燃冲压发动机中的应用与发展

高超声速飞行时,超燃冲压发动机面临非常恶劣的热环境,在现有的航空航天材料下,整个发动机都需要在有主动冷却的情况下才能正常工作.因此,对超燃冲压发动机的主动冷却研究是超燃冲压发动机技术中要解决的一项重要技术.介绍了常用的冷却技术,分析了再生冷却技术在超燃冲压发动机中应用的优越性,描述了再生冷却技术的研究进展.     

高压发动机先进的冷却方案

航天飞机发动机使用的由液体推进剂冷却燃烧室的现有技术水平是第三代设计,这个方案是从不断满足高工作压力以及航天器重复使用性的需要而演变过来的。历史事实表明,重大的先进冷却技术的出现大约以10年为一周期,每个周期一般使工作压力增加400%或较大地提高了重复使用性。以前的技术包括第一代双壁钢套,它用在压力为220磅/英寸~2的V-2火箭和空蜂火箭上;第二代是用金属丝缠绕的双锥形管束式组件,它用于压力为800磅/英寸~2的大力神Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以及压力为1000磅/英寸~2的F-1发动机上;第三代设计是使用铣槽式的高传热内衬和电镀镍外套,它适用于工作压力为3200磅/英寸~2·绝的单程飞行航天飞机主发动机。但是,还未能实现不加维修进行55次飞行任务的目标。未来的单级入轨发动机方案会进一步把工作压力提高到6000至10000磅/英寸~2,且发动机的重复使用能力也将超过航天飞机的55次飞行目标。第四代的冷却方法将要求达到这些雄伟的目标。这些新的设计将需要综合的冷却技术,包括再生冷却和发汗冷却,这些技术需要经改进的耐高温材料和新的制造工艺相配合。本文讨论了第三代设计的局限性、选择推进剂/冷却剂的影响以及未来的第四代冷却技术的工作原理。     

超燃冲压发动机可贮存碳氢燃料再生主动冷却换热过程分析

首先简介了高超声速飞行及超燃冲压发动机工作特点, 分析了超燃冲压发动机的热环境和影响因素, 指出再生主动冷却是经常采用的热防护方法. 进一步分析了可贮存碳氢燃料实现超燃冲压发动机再生主动冷却应能在高温下通过裂解或脱氢反应进行有效化学吸热, 应具备使用温度下低结焦、低析碳、高综合吸热冷却能力. 最后指出吸热碳氢燃料冷却换热过程是极为特殊的, 主要表现在, 换热过程面临大的热流密度变化、发动机壁面与燃料之间高的过热温度、燃料追求相对低流速、燃料大范围温度变化、气液两物态和存在裂解或脱氢等化学反应.     

氢氧发动机再生冷却喷管传热仿真与试验研究

大推力液体火箭发动机推力室室压高、热流大,因此冷却结构设计是推力室和喷管延伸段设计的主要内容。基于氢氧发动机再生冷却喷管延伸段,采用数值仿真方法对其试验件传热性能进行流热耦合计算,并与试验结果进行对比分析。研究结果表明：三维流热耦合仿真计算结果与试验值吻合较好;传统一维传热计算所得的温升及热流偏高,计算结果存在一定误差。研究结果可为后续一维传热计算程序修正及再生冷却喷管传热结构设计提供参考。     

深宽比对氢氧推力室冷却通道传热特性的影响

为了研究液氢冷却的不同深宽比冷却通道结构的传热特性,设计了深宽比分别为15、9.6、6.7和3的4种冷却通道沿圆周均布的分区并联组合式传热试验装置,采取了肋条测温模块以测量肋条不同深度的温度分布,开展了不同室压和混合比的气氢与液氧燃烧环境下液氢的传热特性试验.试验室压为6～7.4 MPa,混合比为5.5～7.2.试验结果表明:高深宽比冷却通道换热面积增大,肋条效应更高,换热能力增强;深宽比越大肋条温度分层现象越明显,肋温沿径向逐渐增加;随着冷却通道深宽比增加,冷却剂温升逐渐增加,传热效果增强,但冷却剂流阻先减小后增大.     

航空喷气公司进行液氧/甲烷火箭发动机高空试车

2010年5月5日,美国航空喷气公司(Aerojet)在美军白沙导弹试验场成功完成了推力为2.5 t的液氧/液态甲烷火箭发动机的高空试车。该发动机是航空喷气公司研制的第1代液氧/甲烷发动机,隶属于NASA探索技术发展计划中的先进低温推进和发展项     

国外典型大推力氢氧发动机推力室技术方案综述

为了获取大推力氢氧发动机推力室设计的相关准则和经验,通过对比分析国外典型大推力氢氧发动机推力室的技术方案,总结了喷注器、主燃烧室和喷管延伸段等组合件关键设计参数和结构方案的选择规律,以及工艺方法和材料应用的发展趋势,可为中国未来200t级大推力氢氧发动机推力室方案的确定提供相应的设计参考.     

发动机推力室燃烧及传热耦合仿真

为了研究推力室工作时内部物理场特点,以某推力室试验件为研究对象,采用独立计算,边界耦合的仿真思想,对推力室的燃烧和传热过程进行仿真,当相邻两次温度误差在1%之内时认为仿真收敛。分析发现推力室壁面在喉部达到最高温度;由于流动通道中冷却剂的流量不同,推力室壁面周向温度分布不均匀;受流动通道横截面积的影响,冷却剂的流速变化剧烈。     

大推力液氧煤油补燃发动机高频燃烧不稳定性的控制方法

针对大推力液氧煤油补燃发动机高频燃烧不稳定性问题,讨论了气液同轴式喷嘴、隔板和整流栅等主要控制方法及其控制机理.对喷注单元和隔板进行了声学实验,获得了气喷嘴长度、节流直径以及隔板高度、间隙等结构参数对燃烧室声学特性的影响规律.研究表明,合理设计气液喷嘴和隔板可有效控制高频燃烧不稳定性;对未来重型运载大推力补燃火箭发动机...     

未来大推力氢氧发动机方案初步探讨

针对未来运载器对动力系统的需求,提出中国下一代大推力氢氧发动机的发展设想,对发动机系统方案、性能参数、动态特性和可靠性等方面进行了初步设计和分析比较.结果表明,所选择的发动机系统方案的可靠性、经济性和系统性能符合未来大推力氢氧发动机的技术发展趋势.     

氢氧推力室喷管超声速气膜冷却参数研究

某型氢氧推力室喷管延伸段采用超声速气膜冷却,在面积比35处引入涡轮排气作为冷却气体。通过采用数值模拟的方法,研究了唇高、吹风比、冷却剂流量和静压比等参数对气膜冷却效果和比冲的影响。结果表明:随着唇高的增大,推力室的比冲和推力略微降低,而冷却效率和壁温几乎不变;在主射流压力匹配且射流量一定的条件下,吹风比增大可以轻微地提高气膜冷却效果和发动机比冲;在压力匹配且吹风比一定的条件下,射流量增加可以提高气膜冷却效果;在射流量一定的条件下,主射流压力匹配时,气膜冷却效果最佳,发动机比冲最高。     

基于AMESim平台的氢氧火箭发动机启动过程仿真研究

根据模块化建模仿真的思想,采用AMESim软件中的二次开发平台AMESet开发了氢氧火箭发动机动态仿真模型库,建立了氢氧火箭发动机启动过程动态仿真模型。使用该模型对某型氢氧火箭发动机进行启动仿真,仿真结果表明:仿真结果与实际试车数据符合得很好,验证了该模型的准确性。     

高性能高可靠氢氧发动机方案探讨

根据未来运载器对动力装置的任务需求及氢氧发动机技术发展趋势,基于50吨级氢氧发动机,以产品性能提高、功能拓展和可靠性增长为设计目标,开展了发动机衍生产品优化设计研究。衍生型发动机基于现有燃气发生器循环或开式膨胀循环,充分继承和借鉴了现有产品的技术基础和成熟组件,产品功能有所拓展,产品性能和可靠性有所提高,丰富了中国氢氧发动机产品库,有利于未来运载火箭构型优化和运载能力提升。     

液氧煤油火箭发动机不稳定燃烧过程的数值分析

采用欧拉-拉格朗日方法对液氧煤油发动机燃烧室内的两相燃烧过程进行数值模拟,在验证模型可靠性基础上,分析无隔板工况下自激1阶切向高频不稳定性燃烧出现的原因。结果表明:喷嘴间雾化锥发生相互干涉使得推进剂空间分布不均,导致脉动释热,同时燃烧室内无隔板时横向压力波阻尼特性降低,使得燃烧室内出现1阶切向燃烧不稳定性;在不稳定燃烧过程中,压力振荡波形和频率与释热波动的波形和频率产生耦合,耦合程度越高,所含释热波峰峰值数量越少,其振荡幅值也将越大。     

氢氧发动机真空点火及高空模拟试验

上面级氢氧发动机的真空点火与起动过程是一个复杂的动态过程,与地面相比,由于受真空环境的影响,发动机推进剂预冷、充填、雾化与燃烧等一系列物理和化学过程将发生很大变化,存在海平面试车无法考核的技术盲点,影响发动机工作可靠性。因此,国内外对上面级氢氧发动机均进行过广泛而深入的高空模拟试验研究,以考核和验证发动机真空点火、起动的可靠性,其中以J-2发动机开展的高空模拟试验最具代表性。