固体火箭发动机后效冲量研究

论文摘要

固体上面级火箭发动机后效推力是修正卫星入轨及火箭分离设计的重要因素。本文采用数值仿真方法进行了双星上面级固体火箭发动机的后效冲量研究。采用了绝热层烧蚀的物理模型。发动机结构由三维结构简化为二维结构,在模型中把AL2O3残渣和喷管辐射作为热源考虑。绝热层采用三层结构烧蚀模型。数学模型主要包括绝热层碳化烧蚀计算及流场计算。采用动坐标系下的绝热层二维热传导方程,质量守恒方程和能量守恒方程。采用隐式差分格式求解,将烧蚀和热传导进行了耦合计算。在绝热层表面考虑了燃气和热解气体的热化学烧蚀,也考虑了燃气颗粒浓度和速度对绝热层表面的物理侵蚀作用。应用了根据经典流体力学理论建立的后效段内弹道方程组。模型考虑了绝热层炭化烧蚀气体的加入,采用一维瞬态欧拉方程,采用MacCormack两步格式计算,将后效段绝热层炭化烧蚀与内弹道联合统一计算。通过遥测飞行数据与后效冲量仿真对比一致性较好,验证了本文建立的固体火箭发动机后效冲量计算模型的可行性和有效性。本文研究工作对提高固体火箭发动机设计水平具有重要理论与实践意义。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 符号表
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外相关研究工作综述
• 1.2.1 绝热层烧蚀研究
• 1.2.2 后效冲量试验研究
• 1.2.3 后效冲量模型研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 绝热层烧蚀过程与影响因素
• 2.1 绝热层的烧蚀过程
• 2.2 绝热层烧蚀的物理模型
• 2.3 绝热层烧蚀的影响因素
• 2.3.1 发动机工作段绝热层烧蚀影响因素分析
• 2.3.2 发动机后效段绝热层烧蚀影响因素分析
• 2.4 小结
• 第三章 绝热层烧蚀数学模型
• 3.1 基本假设
• 3.2 导热控制方程
• 3.3 炭化层内热化学反应
• 3.3.1 工作段热化学反应
• 3.3.2 后效段热化学反应
• 3.3.3 化学反应质量生成率
• 3.3.4 化学反应热效应
• 3.4 炭化层内质量守恒方程
• 3.5 烧蚀表面能量守恒方程
• 3.5.1 烧蚀表面能量守恒方程
• 3.5.2 辐射热流的计算
• 3.5.3 对流热流的计算
• 2O₃ 熔渣源项Q'>3.5.4 喷管Al₂O₃熔渣源项Q
• 3.6 烧蚀率
• 3.7 边界条件
• 3.8 小结
• 第四章 工作段绝热层烧蚀数值仿真
• 4.1 方程数值离散及计算方法
• 4.2 双星上面级发动机工作段烧蚀仿真
• 4.2.1 计算所需数据
• 4.2.2 工作段烧蚀仿真结果
• 4.3 小结
• 第五章 发动机后效冲量数值仿真
• 5.1 后效段燃烧室内弹道方程组
• 5.1.1 基本假设
• 5.1.2 雷诺输运方程
• 5.1.3 质量守恒方程
• 5.1.4 动量守恒方程
• 5.1.5 能量守恒方程
• 5.1.6 初始条件
• 5.2 内弹道方程组的差分格式
• 5.3 后效段推力计算
• 5.4 发动机后效冲量仿真
• 5.4.1 后效段烧蚀计算结果
• 5.4.2 后效冲量仿真结果
• 5.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果