HAN基单组元发动机仿真模型研究

摘要

单组元液体火箭发动机广泛应用于空间飞行器的姿态控制。过去世界各国的单组元发动机主要使用有毒的推进剂，近年来为了保护环境与航天员健康，无毒单组元推进剂逐渐成为当前的研究热点。本文以硝酸羟胺基无毒推进剂的单组元发动机为研究对象，建立其仿真模型并进行仿真研究。 本文摒弃了其他学者采用的以离散颗粒模型（DPM）来模拟液体射流运动过程的方法，采用双流体模型来近似催化床中的液体推进剂流动和燃气流动，同时包括液相向燃气相的催化反应过程。针对液体推进剂的相变过程，首先提出了基于催化反应实验的一级反应催化相变模型，进而基于高温热解实验数据提出了分段的相变模型；在此基础上，结合多孔介质理论搭建了描述液体推进剂在发动机催化床内流动与传热的整体仿真模型。 HAN基单组元发动机的二维仿真和模型参数分析结果表明，催化反应过程是发动机工作过程的主要控制步骤。催化床的前床温度梯度最大，当降低催化反应的指前因子时，前床的温度梯度变小。催化床后床的温度最高并且基本等于理论分解温度，说明在后床发生的反应主要为热解反应；但是如果只用催化分解模型，即使提高反应速率也不能使所有推进剂完全反应，无法达到理论压强值，这说明热解反应在提高发动机性能方面具有重要作用。 仿真结果表明，采用该模型可以较好地模拟HAN基单组元发动机内的流动和传热，仿真结果与试车数据有较好的一致性。

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