热水火箭发动机工作特性分析及实验研究

发布时间：2017-11-13 11:39

  本文关键词：热水火箭发动机工作特性分析及实验研究

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【摘要】：目前火箭发动机发展已有多元化的趋势，在应对空间探索和地面推进等领域有越来越广泛的需求。化学能火箭发动机一直是在短时间内实现大推力需求的首选，但是其推进剂会对环境造成一定的污染，随着人类环保意识的增强，为了保护人类的生存环境，寻求一种清洁的火箭推进方式及推进剂就成为了当务之急。以热水作为推进剂的火箭发动机简称热水火箭发动机，与以纯蒸汽为工质的火箭发动机相比，热水火箭发动机由于喷射密度大，因此具有推力大的优点；与传统的化学能火箭发动机相比，由于推进剂采用的是常规水，因此具有绿色环保、成本低等优点。 为了了解热水火箭发动机的内弹道性能，搭建了热水火箭发动机实验系统，并且分别在不同初始压强、不同喷喉直径、不同加水量的情况下进行了实验。通过实验，发现了在发动机工作工程中，其压强曲线都是经历一个先急剧下降后缓慢下降的过程。并且分析得出：热水火箭发动机的比冲受初始压强值的影响较大，而与喷喉直径或者加水质量无关。 为了研究热水火箭发动机的工作性能，本文建立了水的闪蒸相变模型，并且运用到热水火箭发动机工作过程的数值模拟中，并且通过与实验数据的对比，验证了模型的合理性与准确性。 通过对发动机喷管的研究，把喷管的流动分为三个过程：单向流动过程、降压闪蒸过程和膨胀加速过程。并且发现：在喷管的流动过程中，收敛段中压力首先降到初始温度对应的饱和压强，然后继续降低，并且在喉部的位置开始发生相变，从而使流动变为气液两相流。由于变声速的原因，，可以使两相流的流动在喉部之后达到超声速。 为了了解热水火箭发动机喷管性能的影响因素，分别对不同参数条件下喷管的内流场进行数值模拟。重点研究不同初始条件如不同初始压力、初始气体体积分数及过冷度和不同喷管结构如不同扩张比、收敛半角及扩张半角对喷管推力的影响规律，计算结果表明：初始压强越大，推力越大；随着入口气体体积分数增大，推力会有一个先增大后减小的过程；发动机内部初始温度越接近于饱和温度，推力越大；随着扩张比的增加，推力会有一个先增大后减小的过程；收敛半角对推力影响不大；扩张半角越大，推力越小。 通过研究堵塞对发动机工作的影响发现：在堵塞还没有完全从喷管中运动出去之前，由于堵塞的存在，使得堵塞靠近喷喉部分的前面的一部分比周围的压力要大，同时使得堵塞靠近喷喉部分的前面的一部分的气体体积分数比周围的要小，使得速度在扩张段有一个先增大后减小，然后增大的过程。 通过对发动机非稳态工作过程的研究，把发动机工作过程划分为三个阶段：初始段、中间段和拖尾段，这与常规的火箭发动机不同，没有明显的平衡段。 通过研究不凝气体对发动机工作的影响发现：不考虑空气时发动机的最大推力要大于考虑空气时的最大推力；不考虑空气时发动机的工作时间要大于考虑空气时的工作时间。 通过研究重力对热水火箭发动机工作的影响发现：发动机尺寸不够大的情况下，重力对发动机的工作的影响基本可以忽略。对于大尺寸的发动机，考虑和不考虑重力两种情况下发动机的最大推力值基本相同，考虑重力的情况下发动机的工作时间比较长，总冲较大。 提出了最大推力、加水充填比、比冲的工程计算公式，并且对热水火箭发动机的设计步骤进行了总结。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V434

【参考文献】

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本文编号：1180528