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火箭基组合循环发动机引射模态性能研究

作　者: 黄国庆
导　师: 谭建国
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 火箭基组合循环引射模态总体性能分析环形引射数值模拟实验研究
分类号: V430
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

引射模态是火箭基组合循环发动机的工作模式之一,用于发动机的起飞加速阶段。本文以约翰?霍普金斯大学应用物理实验室的双燃烧室超燃冲压发动机为基础,提出了双燃烧室加环形引射的RBCC总体方案,采用数值分析和试验两种方法对RBCC引射模态性能进行了研究。在数值分析方面,本文建立了一维数值分析模型:包括纯火箭模型,引射混合模型和补燃模型。分别对这三个模型的出口参数以及系统推力进行了分析比较,来探索引射火箭燃烧室和补燃段中燃油规律的改变对引射模态性能的影响。本文研究中采用酒精与气氧燃烧。数值计算结果表明:(1)纯火箭状态时,酒精浓度对系统推力的影响不大;余氧系数为0.5~1.0时的富油燃烧比富氧燃烧能产生更大的推力;化学恰当比时喷管出口静温最高;喷管燃气速度为2~3马赫。(2)引射火箭燃气与被引射气体混合后,混合气体速度降为0.45马赫左右,静压上升,仍为负压,系统推力下降。(3)经过二次燃烧后,补燃段出口燃气的速度大幅增加,静压下降,由于等截面构型的限制,补燃段燃气无法突破音速,达到音速以后即形成热壅塞,出口速度、静压、静温都不再变化。在本文的计算模型中,二次燃烧后系统的推力和比冲与纯火箭相比,增幅可以达到108%和89.1%,可见引射模态通过二次补燃能够获得显著的推力增强。在实验研究方面,本文基于可测推力的直连式试验系统,研究了不同余氧系数、不同总流量、不同系统结构在海平面静止条件、富油燃烧状态下的引射模态发动机的性能。验证了本文第三章的数值分析模型和计算程序,对比试验结果与数值计算结果表明:数值计算的总体误差在12%以内。通过本文的试验研究,可得出以下结论:(1)在富油状态下,酒精流量的增加对系统推力无明显影响,反而会导致系统比冲的下降。氧气流量的增加,对系统推力的增加有显著效果,对比冲的影响也是如此。(2)在本文研究的范围内,余氧系数的增大,会促进系统比冲的明显提高,对系统推力也有影响,但要结合酒精/气氧的总流量来考虑。(3)纯引射火箭加上引射筒以后,系统的推力明显下降,平均下降幅度约20%。(4)酒精浓度增大,系统比冲会显著提高。(5)燃烧室压力受总质量流量和余氧系数的影响;在富油燃烧的范围内,总质量流量和余氧系数较高时,燃烧室压力也会增大。(6)余氧系数过低时,火焰喷出后会产生明显的球形膨胀。火焰的颜色、形态与酒精浓度、燃烧室余氧系数密切相关。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-11
摘要  11-12
ABSTRACT  12-14
主要符号表  14-15
第一章绪论  15-29
  1.1 研究背景和意义  15-17
  1.2 RBCC 的研究和发展  17-24
    1.2.1 RBCC 的工作过程  17-18
    1.2.2 国外的研究进展  18-23
    1.2.3 国内的研究进展  23-24
  1.3 引射模态的研究现状  24-28
  1.4 本文研究的主要内容  28-29
第二章试验系统和计算模型  29-47
  2.1 试验系统介绍  29-34
    2.1.1 直连式试验台  29-31
    2.1.2 供应系统  31
    2.1.3 测量与观察设备  31-32
    2.1.4 压力测量  32-34
  2.2 试验件设计  34-37
    2.2.1 总体方案  34-35
    2.2.2 点火方案  35-37
    2.2.3 进氧孔设计  37
  2.3 引射火箭理论分析基础  37-40
    2.3.1 引射火箭工作原理  37-39
    2.3.2 引射效应的评估参数  39-40
  2.4 RBCC 引射火箭模态数值分析模型  40-46
    2.4.1 引射掺混段模型  41-42
    2.4.2 燃烧流动模型  42-44
    2.4.3 化学动力学模型  44-45
    2.4.4 发动机推力计算  45-46
  2.5 小结  46-47
第三章引射模态一维数值分析  47-70
  3.1 数值分析方法  47-49
    3.1.1 单个模型的分析方法  47-48
    3.1.2 总体数值分析的思路  48-49
  3.2 纯引射火箭数值分析  49-59
    3.2.1 余氧系数  49-50
    3.2.2 燃气组分  50-53
    3.2.3 气体常数  53
    3.2.4 比热比  53-54
    3.2.5 静压  54
    3.2.6 静温和总温  54-55
    3.2.7 马赫数  55-56
    3.2.8 喷管出口速度  56-57
    3.2.9 系统推力  57-58
    3.2.10 本节综述  58-59
  3.3 燃气与引射气体混合后的数值分析  59-63
    3.3.1 出口速度  59-60
    3.3.2 推力  60
    3.3.3 静温  60-61
    3.3.4 总温  61
    3.3.5 马赫数  61-62
    3.3.6 静压  62
    3.3.7 气体常数  62-63
    3.3.8 本节综述  63
  3.4 补燃段二次燃烧的数值分析  63-69
    3.4.1 出口速度  64
    3.4.2 出口静压  64-65
    3.4.3 总推力和比冲  65-67
    3.4.4 出口静温  67-68
    3.4.5 本节综述  68-69
  3.5 小结  69-70
第四章引射模态试验研究  70-87
  4.1 试验方案及主要试验结果  70-73
    4.1.1 试验方案  70-71
    4.1.2 试验主要结果  71-73
  4.2 一维数值分析模型的验证  73-74
  4.3 试验结果分析  74-86
    4.3.1 酒精流量对推力、比冲的影响  75-76
    4.3.2 氧气流量对推力、比冲的影响  76-77
    4.3.3 余氧系数对比冲的影响  77-79
    4.3.4 总流量对推力的影响  79-80
    4.3.5 纯火箭与带引射罩时的推力比较  80-81
    4.3.6 酒精浓度对系统比冲的影响  81-83
    4.3.7 余氧系数、比冲与燃烧室压力的关系  83
    4.3.8 火焰形态与余氧系数、酒精浓度的关系  83-86
  4.4 小结  86-87
第五章结论和展望  87-90
致谢  90-92
参考文献  92-99
作者在学期间取得的学术成果  99

火箭基组合循环发动机引射模态性能研究

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