膏体推进剂火箭发动机工作过程研究

摘要

随着现代推进技术的不断发展进步，膏体推进剂火箭发动机已经成为其热点领域和发展方向之一。本文针对膏体推进剂火箭发动机工作过程中所存在的技术难点和膏体推进燃烧特性进行了研究，为膏体推进剂火箭发动机的研制奠定了理论与技术基础。本文主要工作内容如下：
　　 (1)研究了膏体推进剂挤出胀大特性，目的是辅助膏体推进剂火箭发动机燃面分析。针对锥形扩张喷嘴，进行了膏体推进剂模拟液挤出胀大试验，分析了其挤出胀大过程及稳定性，研究了膏体推进剂燃面大小与时间关系；针对直圆管喷嘴，采用非线性回归法对膏体推进剂模拟液的稳态和动态剪切测试结果进行了拟合，得到了模拟液PTT本构关系的粘弹参数，结合连续性方程和动量方程对其二维轴对称条件下等温挤出胀大进行了数值模拟，分析了喷嘴管道长度、直径以及供给速度等对挤出胀大比的影响。
　　 (2)研究了高温管道内膏体推进剂流动及空气—膏体推进剂两相管道流动特性，为膏体推进剂火箭发动机燃速及安全性分析提供技术支持。采用幂律模型表征膏体推进剂流变特性，利用Arrhenius公式表示温度对粘度的作用，对高温管道内的膏体推进剂流动进行了数值仿真，并分析了壁温对膏体推进剂流动特性、热稳定性以及燃速的影响；将气泡视为不可压缩粒子，建立了气—液两相模型，模拟了空气—膏体推进剂管道流动特性，分析了气泡含量对流速以及管道压降的影响。
　　 (3)研究了膏体推进剂输送管道停机后重启特性，为发动机重启时推力调节时间及大小选择奠定了理论基础。将膏体推进剂输送管道停机后重启瞬态过程分为压力波传递、残余流压缩及压缩后替代三个过程，分别用定常和非定常Herschel-Bulkley模型表征替代液和残余液的流变特性，建立了膏体推进剂输送管道重启模型，并通过试验进行了模型验证，分析了输送管道尺寸及供给速度对重启时间的影响。
　　 (4)研究了膏体推进剂火箭发动机内弹道特性。结合挤出胀大、高温管道内流动特性和输送重启特性研究，分析了膏体推进剂燃面方程及燃速方程，并推导了直圆管喷嘴和锥形扩张喷嘴下的燃面方程数学形式，基于膏体推进剂火箭发动机工作过程，建立了其内弹道模型，并通过发动机燃烧实验对模型进行了验证。
　　 (5)研究了膏体推进剂燃烧特性。借鉴非催化推进剂理论模型，从推进剂组分出发，得到了膏体推进剂燃速公式；基于彩色CCD比色测温原理，并采用低次分段线性插值修正，编制了膏体推进剂火焰测温软件，通过本生灯试验进行了精度测试，获得了膏体推进剂火焰温度场宏观特性；分别对锥形扩张喷嘴和缝式喷嘴进行了连续供给和脉冲供给燃烧试验，并分析了膏体推进剂燃烧特性。
　　 本文的研究工作对膏体推进剂火箭发动机设计及工作过程分析具有一定的指导意义，可加快我国在该领域的研究进展，缩小与国外先进技术之间的差距。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、主要符号说明

声明

1绪论

1.1研究的背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2本文研究意义

1.2膏体推进剂及其火箭发动机研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3挤出胀大研究现状

1.4输送管道再启动研究现状

1.5本文主要内容和结构

1.5.1本文主要研究内容

1.5.2本文组织结构

2膏体推进剂挤出胀大特性

2.1膏体推进剂挤出胀大行为

2.2膏体推进剂挤出胀大试验

2.2.1试验方法及器材

2.2.2试验结果

2.3膏体推进剂挤出胀大数值仿真

2.3.1基本假设

2.3.2仿真模型及边界条件

2.3.3流体控制方程

2.3.4本构方程

2.3.5膏体推进剂模拟液动态测试

2.3.6仿真结果与分析

2.4本章小结

3 膏体推进剂管道内特殊流动

3.1高温管道内膏体推进剂非定常流动特性

3.1.1物理模型及边界条件

3.1.2数学模型

3.1.3结果与分析

3.2空气—膏体推进剂两相流

3.2.1物理模型及边界条件

3.2.2数学模型

3.2.3试验原理

3.2.4模型验证

3.2.5结果分析

3.3本章小结

4 膏体推进剂输送管道重启模型

4.1膏体推进剂输送重启试验

4.2膏体推进剂输送重启模型

4.2.1压力波传播

4.2.2残余流压缩

4.2.3压缩后替代

4.2.4替代流和残余流本构关系

4.2.5替代形态判别

4.3数值计算过程

4.4结果与分析

4.4.1入口平均速度对重启时间影响

4.4.2管长对重启时间影响

4.4.3管径对重启时间影响

4.5本章小结

5膏体推进剂火箭发动机内弹道模型

5.1膏体推进剂火箭发动机工作原理

5.2膏体推进剂燃烧

5.3内弹道方程

5.4膏体推进剂燃面方程

5.4.1直圆管喷嘴

5.4.2锥形扩张喷嘴

5.5膏体推进剂燃速

5.6平衡压强和重启时间计算

5.7膏体推进剂火箭发动机内弹道计算

5.7.1内弹道计算

5.7.2内弹道模型验证

5.8本章小结

6 膏体推进剂稳态燃烧特性研究

6.1膏体推进剂稳态燃烧模型

6.1.1稳态燃烧模型选择

6.1.2膏体推进剂稳态燃烧模型

6.2膏体推进剂稳态燃烧试验

6.2.1试验原理及主要参数

6.2.2试验结果

6.3膏体推进剂火焰测温

6.3.1图像测温原理

6.3.2图像测温试验原理

6.3.3图像测温软件

6.3.4图像测温结果与分析

6.4本章小结

7论文总结

7.1本文工作总结

7.2本文创新点

7.3未来展望

致 谢

参考文献

附录