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过氧化氢发动机动态特性研究

刘景华  
【摘要】: 以过氧化氢为氧化剂的液体火箭发动机具有广泛的应用前景,其动态特性是研制中的难题之一。本文综合采用理论分析、数值仿真和实验研究等多种手段,对过氧化氢发动机的动态特性进行了全面深入的研究。 针对液体火箭发动机系统的特点,提出了混合维仿真方法。对静态参数混合、动态参数混合和动态直接混合的三种维度混合方式,分析了其相关理论问题。在静态参数混合中,以过氧化氢喷嘴为例,研究了流量系数随结构参数和工作参数的变化。在动态参数混合中,首先应用有限元方法,分析了弹簧的模态和频响特性,再应用系统辨识的方法,建立了弹簧的二阶模型,指出:由于存在死圈,弹簧的等效质量应为总质量的40%,并据此对压力调节阀进行了仿真;通过对文氏管进行二维CFD仿真,建立了文氏管的黑箱和灰箱模型,计算表明,文氏管在动态反压下,输出流量将有±3.3%的波动。 对某发动机的启动过程开展了仿真研究,分析了该发动机隔离阀前出现压力突然下降的原因,特别指出压力降不是与流量变化值相关,而是与流量变化的速率相关。提出了相应的解决措施,包括:(1)改变管路尺寸;(2)调节流量变化曲线;(3)在隔离阀前加装蓄能器。 针对某过氧化氢/煤油发动机出现关机爆炸的现象,开展了包含传热、两相流在内的关机过程仿真,对氦气吹除的效果进行了评估,得到了不当的氦气吹除反而造成温升的结论。提出了过氧化氢延时关机方案,通过对过氧化氢冷却和吹除气冷却的效果进行研究,得到了最佳的关机时序。 开展了以低浓度过氧化氢/低浓度酒精为推进剂的发动机实验。(1)开展了催化分解实验,对催化分解效率、活化时间、催化剂寿命等进行了研究,得到了催化床的设计准则;利用孔板和隔板,成功消除了过氧化氢催化床中存在的低频不稳定。(2)研究了燃烧室构型、喷注器结构、催化分解效率、工作参数等对燃烧性能的影响,得到了提高燃烧效率的途径。(3)从推进剂浓度、喷注压降、点火能量、点火时序等方面开展了点火研究,突破了低浓度推进剂发动机的点火这一关键技术。(4)过氧化氢发动机中长期存在低频振荡,通过分析影响振荡的各种因素,提出了相应解决方案,攻克了这一技术难关。研制了一系列高效、稳定、快速的过氧化氢发动机,所采用的过氧化氢浓度可以为90%,70%,50%,工作室压为1.9~4.0MPa,发动机流量为0.6~7.7kg/s,理论燃烧温度为900~1800K。这些发动机所生成的高温燃气具有广泛用途。 针对实验中的不稳定现象,综合采用各种维度混合方式,建立了过氧化氢发动机的混合维仿真模型。(1)稳态仿真表明:在低浓度酒精发动机中存在着“酒精先蒸发”现象,使局部温度大于理论温度,这一定程度上解释了实验中出现的喷注面板烧蚀现象;燃烧效率的仿真结果与实验结果较为吻合,偏差不超过6%。(2)建立了发动机稳定性的理论分析模型,对实验发动机而言,当燃烧时滞大于13ms时,系统将不稳定。(3)仿真所得到的系统振荡频率与实验的频率接近,趋势一致,说明混合维仿真具有较高实用价值;研究了喷注压降、余氧系数等对发动机不稳定度的影响,表明:过低的喷注压降会引起系统振荡,过高的压降会造成发动机熄火。(4)提出了一种部分催化的单调变推力发动机方案,该发动机具有宽范围的稳定性和良好的调节性。


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