新型液体火箭发动机燃烧不稳定性研究

应用CFD方法对新型液体火箭发动机燃烧过程进行全尺寸数值模拟。首次有针对性地系统得出了混合比、液氧喷雾初始尺寸分布、缩进区液氧蒸发质量对氢氧火箭发动机燃烧振荡的影响规律,评估了1轮毂3径向喷嘴隔板抑制燃烧振荡的效果,并对氢氧、液氧/甲烷两种火箭发动机的燃烧不稳定性特征进行了对比分析。结果表明:存在某一特定的混合比、喷雾液滴直径、缩进区液氧蒸发质量敏感区间,易导致不稳定燃烧;喷嘴轮毂隔板可很好地抑制燃烧振荡;氢氧、液氧/甲烷燃烧分别以高频和低频压力振荡为主。     

液体火箭发动机中声腔抑制不稳定燃烧的声学分析

发展了声腔的分析和数值模型,对液体火箭发动机不稳定燃烧的抑制作用进行了评定,通过迭代计算研究了二维流动和温度分布变化对声腔调 谐和稳定性能的影响,对不同的声腔几何尺寸和温度梯度的稳定性计算结果表明,燃烧带有较大开口面积的声腔会更大程度地改变振荡的空间分布,这种改变而且影响了驱动和抑制燃烧的机理,讨论了在声腔设计安排中正确选择声腔的几何尺寸,且比较了不同长度和不同直径声腔的阻尼特性,通过考察声吸收系统的方法来最优化系统的阻尼,得到了可供设计参考的结论。     

雾化角对液体火箭发动机燃烧室压力振荡的影响

针对液氧/煤油火箭发动机模型燃烧室实现了三维非稳态两相燃烧过程的数值模拟,得到的燃烧室截面平均压力和平均速度与实验吻合。在初边值条件不施加任何扰动的情况下,得到了燃烧室压力自激振荡过程,并研究了液氧和煤油喷嘴雾化角对燃烧室压力振荡的影响。计算结果表明:当雾化角为40°或120°时,由于燃料与氧化剂喷雾锥重叠区域较小或较大,导致了推进剂混合很差或很好,不易在燃烧室头部出现局部爆炸性的可燃混气团,致使燃烧室压力振荡强度较弱;而当雾化角为中间值65°时,易于出现爆炸性的可燃气团并导致剧烈的压力振荡,使燃烧室中出现燃烧不稳定性。因此,雾化角的合理设计是抑制燃烧不稳定性的一种途径。     

利用辐射光谱法在线测量固体火箭推进剂燃烧温度

针对固体火箭发动机恶劣环境下的高温燃烧测量问题,提出了利用辐射光谱法来开展固体火箭推进剂燃烧温度在线测量的方法,采用200～1 100 nm光纤光谱仪测量了高压实验燃烧器下固体火箭推进剂燃烧火焰辐射光谱,总结了其光谱特性,并基于普朗克定律和光谱拟合方法获得了相应的推进剂燃烧温度,这对固体火箭推进剂燃烧诊断与燃烧机理研究具有重要的参考价值。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

基于马氏距离的液体火箭发动机稳态过程故障程度评估方法

当前健康管理技术在我国航天领域的发展还未完全成熟,国内针对运载火箭稳态飞行过程的故障检测与评估进行的工作还较少,而未来对于运载火箭牵制释放、动力重构等技术的应用,以及对可重复使用技术的需求,火箭稳态飞行过程的故障检测和评估将是其重要的技术支撑,具有十分重大的意义,因此提出一种基于马氏距离的液体火箭发动机稳态过程故障程度评估方法,并通过采用液体火箭发动机的仿真数据验证了算法的有效性,为运载火箭发动机健康评估技术的发展提供了一定的借鉴作用。     

基于模糊切换增益调节的燃气流量滑模控制

将模糊控制方法与滑模控制方法相结合,针对燃气流量调节伺服系统设计一种基于模糊切换增益调节的滑模控制器,固冲发动机流量调节伺服控制系统的不确定部分通过滑模控制器来补偿,从而可实现固冲发动机流量调节伺服系统的鲁棒控制。使用matlab对固冲发动机流量调节伺服系统进行建模仿真并与单纯使用滑模控制方法进行比较,仿真结果表明基于模糊切换增益调节的固冲发动机模糊滑模控制系统具有较好的给定适应性和抗干扰性,采用该控制方案能有效的抑制系统随机干扰对控制系统的不利影响,控制效果优于纯滑模控制方法,消弱了控制信号的抖振,为提高固冲发动机流量调节控制系统的动态性能奠定基础。     

发动机喷流对火箭气动特性影响

开展了考虑底部发动机喷流影响的火箭气动特性CFD仿真设计,比较了有/无喷流时火箭附近流场结构、表面压力分布、整体气动力/力矩特性在亚/超声速段的差异,结果显示,发动机喷流对火箭亚声速段的轴向力、法向力和俯仰力矩特性均有较为显著的影响,且有减小尾部空气舵气动控制力矩的影响,而超声速段的影响仅限于轴向力。该仿真结果与飞行试验气动辨识结果较为一致。基于仿真分析结果,可建立一种折中考虑喷流影响的气动特性设计方法,供火箭精细化气动特性设计参考使用。      

燃料空气供给条件对热声不稳定燃烧影响的研究

对Solar低排放预混燃烧系统的燃烧稳定性进行了数值研究.应用非定常N-S方程、雷诺应力紊流模型及涡团耗散燃烧模型,数值模拟了该类型燃烧器在不同的燃料空气供给条件下的气流流动特性和压力振荡特性,并给出了不稳定发生时压力和速度振荡的幅值和频率.根据供给条件的不同,燃烧可以是稳定的或是不稳定的,取决于燃料到火焰前沿的迟滞时间.采用CFD方法,可精确地获得燃料到火焰前沿的迟滞时间,证实了所采用的模型能够精确预测不稳定燃烧的出现及振荡特性.通过调整燃料与空气的供给条件,可使振荡激励或阻尼.     

气液耦合振动对热声发动机性能的影响

进行了气液耦合振动驻波型热声发动机定量模拟.重点比较分析了单纯气体振动系统和引入[EMIM][BF_4]室温离子液体作为液体活塞的气液耦合振动系统的运行参数,并考察了液体活塞的质量对热声发动机谐振频率、压力振幅以及板叠热端温度等的影响.