ADN推进器的工作过程仿真及结构参数优化设计研究

摘要

随着人们对航天事业环保要求的提高，使用了超过50年的采用具有致癌性和腐蚀性的肼基推进剂的液体推进器已经不能满足现代航天事业的需求，一种采用无毒的ADN基推进剂的ADN推进器越来越受到人们的关注。ADN推进器具有毒性远低于肼、密度比冲大、不产生可燃性烟雾的优点，具有很高的应用前景。由于在ADN推进器内包含着复杂的物理化学过程，涉及流动、传热、催化分解反应、燃烧反应等众多子过程以及它们之间强烈的耦合关系，很有必要对ADN推进器的工作过程进行深入研究，本文将采用仿真计算的方法来探究其内部的工作过程。
　　本文对推进器内的流动、传热、催化分解及燃烧过程进行数学描述，建立ADN推进器工作过程的数学模型。以某ADN推进器为研究对象，对推进器内的催化分解反应及燃烧过程进行了仿真计算，得到与实验结果吻合的ADN推进器内温度、压力的仿真计算结果，验证了仿真计算的精度，并对ADN推进器内的工作过程进行了深入地分析。
　　首先，研究了推进剂入口流量、催化床预热温度、多孔介质孔隙率对ADN推进器内催化分解反应和燃烧过程以及推进器性能的影响规律，分析了上述三个参数对ADN推进器内工作过程的作用机理。然后应用正交设计方法，基于计算机仿真计算，对ADN推进器的催化床长度及直径、燃烧室长度等结构参数进行了优化，以推进器推力为评价指标，利用直观比较法、极差分析法以及方差分析法分析了仿真优化计算结果，研究了上述结构参数对推进器性能的影响，得到了最优参数水平组合，并对比了优化后的ADN推进器和原机型ADN推进器内的工作过程，为ADN推进器的优化设计提供了参考依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 ADN基单组元推进剂的发展及现状

1．2．2 液体推进器的发展及现状

1．2．3 应用多孔介质的燃烧的研究现状

1．3 本论文研究的主要内容

2 ADN推进器工作过程仿真计算的数学模型

2．1 控制方程

2．2 多孔介质模型

2．2．1 多孔介质模型的限制和假设

2．2．2 多孔介质传热特性

2．3 ADN推进剂化学反应机理

2．4 本章小结

3 ADN推进器内工作过程仿真分析

3．1 初始边界条件及网格的确定

3．2 仿真结果与实验结果对比分析

3．3 ADN推进器工作过程仿真结果分析

3．3．1 启动状态仿真结果分析

3．3．2 稳定状态仿真结果分析

3．4 本章小结

4 工作参数对ADN推进器工作过程的影响分析

4．1 催化床预热温度对催化分解以及燃烧过程的影响规律

4．2 入口推进剂质量流量对催化分解以及燃烧过程的影响规律

4．3 多孔介质孔隙率对催化分解以及燃烧过程的影响规律

4．4 本章小结

5 基于正交设计法的ADN推进器结构参数优化设计研究

5．1 正交设计法理论基础

5．2 正交优化设计方案

5．3 优化设计结果分析

5．3．1 直观分析

5．3．2 极差分析

5．3．3 方差分析

5．4 优化结果对比

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集