膏体火箭发动机工作特性试验与仿真研究

发布时间：2017-08-03 13:31

  本文关键词：膏体火箭发动机工作特性试验与仿真研究

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【摘要】：膏体火箭发动机兼具固体火箭发动机和液体火箭发动机的诸多优点,是当前新型化学推进剂火箭发动机的重要发展方向之一。本文采用试验和数值仿真相结合的方法,研究了膏体推进剂的流变特性、燃烧特性、管道挤出流动特性及膏体火箭发动机的点火工作特性,为膏体火箭发动机的系统研制和性能预估提供技术参考和试验依据。首先,用旋转流变仪对膏体推进剂进行流变学测试,分析了其流变特性,拟合粘度与流变仪角频率之间的关系曲线,得到了膏体推进剂的幂律本构方程。用搭建的C02激光器点火系统,对初温为25℃、不同环境压强下的膏体推进剂激光点火燃烧特性进行了试验研究,观察并分析了点火燃烧的现象和特征,用指数燃速定律拟合得到了膏体推进剂燃速随环境压强的变化规律。其次,建立了膏体推进剂管道挤出流动的计算模型,针对膏体推进剂是否预先充满流动管道的两种初始状态,进行了不同管径和质量流率下的膏体推进剂管道挤出过程数值仿真,得到了挤出状态、流速、压力损失等参数随工况的变化规律。分析了两种初始状态对管道挤出特性的影响,判断了各自的优缺点,认为膏体推进剂预先充满流动管道的初始状态更有利于膏体火箭发动机的点火工作,并选择以此初始状态进行不同管径和质量流率下的膏体推进剂管道挤出试验研究,试验结果有效验证了数值仿真的正确性、试验参数设置的合理性以及所使用的液压挤进方式的可靠性。随后,结合膏体推进剂管道挤出流动的特点及膏体火箭发动机的工作原理,将膏体火箭发动机燃烧室内的燃烧过程分为初始燃烧阶段、稳定燃烧阶段和余药燃烧阶段三个阶段,推导了内弹道微分方程及各个燃烧阶段燃面方程的数学形式,建立了膏体火箭发动机零维内弹道模型,编制了内弹道计算程序。用膏体火箭发动机点火试验压强-时间曲线对内弹道模型进行了验证,结果表明所建立的内弹道模型具有较好的精度,用于仿真膏体火箭发动机工作过程是合理可靠的。最后,设计并搭建了膏体火箭发动机试验系统,用该系统成功完成了在0.5kg/s、0.8kg/s、1.5kg/s、2.2kg/s膏体推进剂供给流量时的发动机点火试验,测得了燃烧室的压强-时间曲线,分析了不同流量下膏体火箭发动机的工作特性。结果表明,该膏体火箭发动机试验系统设计正确、原理可行、试验重复性好,膏体推进剂液压供给系统的工作可靠性高。
【关键词】：膏体推进剂 火箭发动机 管道挤出 数值仿真 内弹道 点火试验
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V430
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-26
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 膏体推进剂概述14-17
• 1.3 膏体推进剂管道流动特性研究现状17-19
• 1.4 膏体火箭发动机技术研究现状19-24
• 1.5 本文的研究内容24-26
• 2 膏体推进剂流变与燃烧性能研究26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 膏体推进剂流变特性研究26-31
• 2.2.1 非牛顿流体流变模型概述26-28
• 2.2.2 膏体推进剂流变测试28-31
• 2.3 膏体推进剂燃烧性能研究31-36
• 2.3.1 膏体推进剂试件制备31-32
• 2.3.2 激光点火试验系统32-34
• 2.3.3 膏体推进剂燃烧试验34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 3 膏体推进剂管道挤出流动特性研究37-53
• 3.1 引言37
• 3.2 膏体推进剂管道挤出过程数值仿真37-46
• 3.2.1 数学模型37-38
• 3.2.2 物理模型与网格划分38-39
• 3.2.3 边界条件与初始条件39-40
• 3.2.4 仿真结果及分析40-46
• 3.3 膏体推进剂管道挤出试验46-51
• 3.3.1 试验装置及工况46-47
• 3.3.2 试验结果及分析47-51
• 3.4 本章小结51-53
• 4 膏体火箭发动机内弹道特性研究53-62
• 4.1 引言53
• 4.2 膏体火箭发动机工作原理53-54
• 4.3 内弹道微分方程54-56
• 4.4 膏体推进剂燃面方程56-58
• 4.5 平衡压强计算58-59
• 4.6 膏体火箭发动机内弹道计算59-61
• 4.6.1 内弹道计算流程59-60
• 4.6.2 内弹道模型验证60-61
• 4.7 本章小结61-62
• 5 膏体火箭发动机工作特性试验研究62-76
• 5.1 引言62
• 5.2 膏体火箭发动机试验系统62-70
• 5.2.1 膏体推进剂存储与供给系统62-67
• 5.2.2 不同膏体推进剂流量的多管道装置设计67-68
• 5.2.3 不同膏体推进剂流量的喷管设计68-69
• 5.2.4 膏体火箭发动机点火工作试验台69-70
• 5.3 膏体火箭发动机点火试验70-75
• 5.3.1 试验方法及工况70-71
• 5.3.2 试验结果及分析71-75
• 5.4 本章小结75-76
• 6 结论与展望76-78
• 6.1 本文结论76-77
• 6.2 未来展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-83
• 附录83

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本文编号：614628