固液混合火箭发动机工作过程研究

论文摘要

固液混合火箭发动机具有安全性高、可靠性高、研制和生产费用低、可实现推力调节和多次启动、推进剂及其燃烧产物毒性低、燃烧产物对环境污染小等众多优点,使得它们在商用卫星发射以及载人航天领域,尤其是在先进轨姿控推进系统和快速机动发射运载器推进系统方面具有很强的竞争力和诱人的应用前景。然而,由于固液混合火箭发动机内部工作过程十分复杂,通过国内外众多科学家与工程师们多年的不懈探索,目前已取得了一些研究成果,但这些成果尚不足以帮助人们清晰理解固液混合火箭发动机的工作过程,有必要就此问题继续开展深入细致的研究。本文采用理论分析、数值模拟和试验等手段,研究了推进剂组合、发动机几何构型以及工作状态对固液混合火箭发动机性能的影响规律,探索了提高发动机性能的途径,并为固液混合火箭发动机设计提供了理论依据和指导。采用热力计算方法和固液混合火箭发动机理论性能计算软件,研究了推进剂组合、液固比、燃烧室压力等参数对发动机性能的影响规律。推导了固液混合火箭发动机一维内弹道方程,并分析了在发动机工作过程中燃面后退速率、固体燃料气化产物流量、液固比、压强、温度和比冲等参数随时间变化规律。针对固液混合火箭发动机中固体燃料中氧化剂含量少、燃面后退速率低以及固体燃料中固体含量少、工艺性能和力学性能差的特点,系统地进行了推进剂配方试验研究。采用提高粘合剂网络的交联密度和填料的补强技术,提高了HTPB基固体燃料的强度。研究各类添加剂对固体燃料燃面后退速率的影响规律,提高了HTPB基固体燃料的燃面后退速率。研制出力学性能优良（抗拉强度≥1.8MPa,延伸率≥50%）、燃面后退速率较高（≥0.3mm/s）、不同金属含量的系列HTPB基固体燃料。采用基于流-固耦合的方法,在充分考虑固液混合火箭发动机工作过程中诸多复杂物理过程的基础上,建立了一个可适用于发动机不同工作状态下燃面后退速率预示的计算模型,并开发了一个可适用于固液混合火箭发动机燃烧室内两相湍流燃烧流动数值模拟的计算程序。对发动机燃烧室内两相湍流燃烧流动过程进行了数值模拟分析,得到了燃烧室内的流场结构,系统研究了固液混合火箭发动机推进剂组合、发动机几何构型以及工作状态对发动机性能的影响规律,为合理设计发动机结构指明了方向。设计了直径80mm的GOX、90%H2O2/HTPB固液混合火箭发动机燃烧实验器,开展了发动机多次点火技术以及发动机燃烧性能试验研究。设计了采用煤油作为燃料的点火器,能够可靠、可控地实现GOX/HTPB固液混合火箭发动机燃烧实验器的启动、关机和再点火。通过终止发动机燃烧试验和系统辩识的方法,研究了GOX/HTPB固液混合火箭发动机燃面后退速率的影响规律。采用烃类燃料在催化分解的90%H2O2中能燃烧的点火器,进行了90%H2O2/HTPB固液混合火箭发动机试验初步研究。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究工作的背景与意义
• 1.2 国内外相关研究综述
• 1.2.1 固液混合火箭发动机发展历史
• 1.2.2 燃面后退速率理论模型
• 1.2.3 提高燃面后退速率的方法
• 1.2.4 固液混合火箭发动机的数值模拟
• 1.2.5 固液混合火箭发动机试验研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 固液混合火箭发动机理论性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 固液混合火箭发动机理论性能计算和分析
• 2.2.1 固液混合火箭发动机理论性能计算原理
• 2.2.2 计算结果和讨论
• 2.3 固液混合火箭发动机一维内弹道分析
• 2.3.1 固液混合火箭发动机一维内弹道模型
• 2.3.2 计算结果和讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 固液混合火箭发动机固体燃料配方研究
• 3.1 引言
• 3.2 固体燃料工艺性能研究
• 3.3 固体燃料力学性能研究
• 3.3.1 燃料固化参数调节
• 3.3.2 燃料交联剂选择
• 3.3.3 燃料配方参数调节
• 3.3.4 不同固体含量燃料的力学性能
• 3.4 固体燃料燃烧性能研究
• 3.4.1 固体燃料基础配方确定
• 3.4.2 固体燃料燃烧性能调节剂选择
• 3.4.3 固体燃料药柱燃面后退速率测试结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 固液混合火箭发动机燃烧过程数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 发动机燃烧室内两相燃烧流动数值模拟模型
• 4.2.1 发动机燃烧室内流场简化假设
• 4.2.2 气相控制方程
• 4.2.4 湍流模型
• 4.2.5 气相燃烧模型
• 4.2.6 固体燃料高温分解模型
• 4.2.7 固体燃料表面气-固分界面相互作用关系
• 4.2.8 液态氧化剂喷雾和蒸发模型
• 4.2.9 边界条件和初始条件
• 4.3 某典型固液混合火箭发动机燃烧流动过程数值模拟结果及分析
• 4.3.1 几何构型
• 4.3.2 固体燃料燃面后退速率分析
• 4.3.3 发动机内气体状态参数分布
• 4.3.4 燃烧效率分析
• 4.4 发动机燃烧流动过程影响因素的数值模拟研究
• 4.4.1 氧气入口直径的影响
• 4.4.2 预燃室深度和长度的影响
• 4.4.3 发动机尺寸增大的影响
• 4.4.4 氧化剂种类的影响
• 4.5 固液混合火箭发动机两相混合燃烧数值模拟研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 固液混合火箭发动机工作过程试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 固液混合火箭发动机试验系统设计及数据处理方法
• 5.2.1 管路供应系统
• 5.2.2 测量控制系统
• 5.2.3 试车台
• 5.2.4 试验发动机
• 5.2.5 试验数据处理方法
• 5.3 固液混合火箭发动机点火技术试验研究
• 5.3.1 火炬式点火器
• 5.3.2 点火器试验结果及分析
• 5.3.3 固液混合火箭发动机点火试验研究
• 5.3.4 固液混合火箭发动机多次点火试验研究
• 5.4 燃面后退速率试验研究
• 5.4.1 固体燃料药柱的时间-空间平均燃面后退速率
• 5.4.2 沿固体燃料药柱长度上平均燃面后退速率随时间的变化
• 2O₂/HTPB固液混合火箭发动机试验初步研究'>5.5 90%H₂O₂/HTPB固液混合火箭发动机试验初步研究
• 2O₂/HTPB固液混合火箭发动机试验系统'>5.5.1 90%H₂O₂/HTPB固液混合火箭发动机试验系统
• 5.5.2 试验结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 对未来研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目