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AP/HTPB复合推进剂压力耦合响应测试方法与数值模型研究

颜密  
【摘要】:高能复合推进剂对压强的燃烧响应是固体火箭发动机不稳定燃烧的主要原因之一。为探索复合推进剂压力耦合响应函数的变化规律,本文对AP/HTPB复合推进剂的压力耦合响应函数以及燃烧响应特性开展了实验方法研究和数值模型研究。主要的工作包括以下几个方面:搭建了触发式T型燃烧器实验平台,设计了可重复使用的、振动频率和压强可调的,脉冲触发式T型燃烧器,并进行了压力耦合响应函数测试。在平均压强为11.8MPa的工况下,当测试频率为138Hz、140Hz和142Hz时,压力耦合响应函数分别等于4.85、4.88和4.99,验证了实验平台的可靠性及重复性。采用实验和理论研究相结合的方法,对黑火药的脉冲激励特性进行了研究。建立了预估压强脉冲幅值和平均压强上升量的理论计算模型,研究了黑火药燃烧性能对脉冲激励特性的影响。结果表明,压强脉冲幅值和平均压强上升量随着黑火药药量线性增长。随着黑火药燃烧时间的减小,压强脉冲幅值快速增大,平均压强上升量则缓慢趋近于一个最大值。建立了描述T型燃烧器的压强触发过程的三维数值模型,研究了脉冲温度、脉冲质量流量以及脉冲波形对压强振荡的影响规律。研究结果表明,脉冲气体温度和脉冲质量流量都只对压强脉冲幅值有直接影响。脉冲波形只对压强振荡谐波特性有直接影响。当脉冲强度较弱时,压强脉冲幅值对谐波特性没有影响;随着脉冲强度增大到一定程度,脉冲幅值的继续增大将增强压强振荡的谐波特性。压强振荡信号的衰减特性由谐波特性和压强脉冲幅值共同决定,且谐波特性的影响比重远远高于压强脉冲幅值。总结了适用于T型燃烧器的脉冲使用准则,可描述为:平均压强上升量不能超过测试压强的10%;压强脉冲幅值为测试压强的1%到10%;压强脉冲幅值至少为平均压强上升量的两倍;两次脉冲的波形和幅值应尽量保持一致;脉冲波形尽量接近正弦波。建立了AP/HTPB复合推进剂的BDP(M.W.Beckstead,R.L.Derr and C.F.Price)微尺度燃烧模型。研究了AP粒径、AP质量分数以及燃烧压强对组分扩散特性和AP/HTPB燃烧特性的影响规律。结果表明,AP粒径以及燃烧压强的增大会使得反应组分的混合度变低,混合厚度增加,火焰的扩散特性增强,燃面温度分布不均匀性加剧,扩散火焰高度增大。AP质量分数的变化则只会对终极扩散火焰的位置以及燃气温度产生影响。建立了AP/HTPB复合推进剂压力耦合响应数值模型。对同一种AP/HTPB推进剂分别在10MPa和2MPa的压强下进行了压力耦合响应函数计算。计算结果表明,在中低频条件下,复合推进剂的压力耦合响应特性较强;10MPa的压力耦合响应函数峰值及其响应频率都高于2MPa的值。对燃烧响应机理进行了初步研究。研究结果表明,固相导热滞后引起了气相参数波动与压强波动之间的相位差,并且加剧了气相参数的波动;燃面温度波动十分不均匀,燃面温度对压强波动的最强响应区域的位置和大小随平均压强和扰动频率发生变化。


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