固体燃料冲压发动机燃烧组织技术研究

【摘要】： 固体燃料冲压发动机具有比冲高、结构简单、安全性好等优点,在未来超声速导弹和冲压增程炮弹等领域具有广阔应用前景,但固体燃料冲压发动机的燃烧组织技术并不成熟,目前仍处于探索阶段。采用理论分析、数值模拟与直连式试验相结合的方法,对固体燃料冲压发动机燃烧组织技术进行了深入研究,主要包括旋流燃烧技术、燃料流量调节技术以及地面试验技术。 根据固体燃料冲压发动机内部流场的特点,建立了湍流流动与燃烧的数值计算模型。固体燃料表面处理为质量入口边界,并根据热分解特性建立了HTPB(丁羟)的燃速数值计算模型,燃速数值计算结果与试验结果符合较好。采用所建立的数值模型,对圆孔隔板与加长燃料两种补燃室结构进行了对比分析。研究发现,当补燃室较短且发动机工作时间较长时,圆孔隔板结构较好;否则,加长燃料结构较好。 采用数值模拟方法,系统地研究了固体燃料冲压发动机采用旋流的相关技术问题,内容包括旋转冲压增程弹弹体自旋引起旋流的旋流数计算、轴向旋流器产生的旋流在固体燃料冲压发动机燃烧室内的流场结构、旋流对轴对称喷管性能参数的影响以及旋流对燃速及燃烧效率的影响。研究发现,旋转冲压增程弹进气道前方来流与进气道出口气流均为弱旋流。在旋流进气条件下,固体燃料冲压发动机燃烧室内中心回流区与突扩台阶回流区的总压损失最大,中心回流区下游的总压损失较小。旋流进气状态下,采用喷管入口轴向质量平均总压计算所得轴对称喷管的流量系数、推力系数以及比冲与直流状态近似相等,且不随旋流数变化。由于旋流条件下燃料表面附近轴向速度较快,缩短了燃料在燃烧室内的燃烧时间,致使旋流燃烧效率低于直流。 采用数值模拟方法,研究了三种固体燃料冲压发动机燃料流量调节方案,包括内部套管分气方案、环型内旁路分气方案与齿轮型内旁路分气方案。研究发现,内部套管方案需要在套管末段采取热防护措施;环型内旁路分气方案在补燃室头部产生突扩回流区,燃烧仍受扩散过程控制;齿轮型内旁路分气方案可在补燃室头部产生对称的涡结构,能够提高未燃烧燃料与旁路空气的掺混,与环型相比燃烧效率提高速度更快,且总压损失与环型相当,因此齿轮型的燃烧性能较好。 试验系统建设方面,研制出固体燃料冲压发动机地面试验用的气氧/酒精火炬式点火器与小流量空气加热器,试验表明,火炬式点火器能够长时间稳定工作,小流量空气加热器出口温度满足试验要求。分别采用火药式点火器与火炬式点火器进行了固体燃料冲压发动机直连式点火试验,火炬式点火器点燃固体燃料冲压发动机的过程中无点火压力峰,整个试验系统启动平稳。试验研究方面,采用直连式试验的方法,对比研究了含大量金属(Al-40%,Mg-25%)固体燃料的旋流与直流燃烧特性,并对旋流火焰稳定性、燃烧室压强、平均燃速以及燃烧效率进行了分析。旋流火焰稳定特性及燃烧效率的试验结果与数值模拟研究结果趋势一致,间接验证了数值模拟结果的正确性。试验发现,含大量金属的燃料燃速较纯聚合物燃料燃速高,表明采用多组分混合物燃料是提高燃速的有效方法。