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入口流场不均匀性对固体火箭发动机大膨胀比喷管内流场的影响

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固体火箭技术 2024年

作者：高惊涛孙宏权李新艳王宁飞北京理工大学宇航学院

在高机动飞行过程中，固体火箭发动机承受长时间的小过载会导致喷管入口处燃气方向改变，而药柱空间非均匀燃烧又会导致燃气密度分布不均匀，从而影响喷管入口处质量通量分布。二者均会造成入口燃气流动非均匀性，这是引起喷管流场不均... 详细信息

在高机动飞行过程中，固体火箭发动机承受长时间的小过载会导致喷管入口处燃气方向改变，而药柱空间非均匀燃烧又会导致燃气密度分布不均匀，从而影响喷管入口处质量通量分布。二者均会造成入口燃气流动非均匀性，这是引起喷管流场不均匀性的主要原因之一，直接影响发动机性能。以膨胀比为100的固体火箭发动机喷管为研究对象，改变入口处质量通量分布规律与入射方向，结合计算流体力学软件研究入口流场不均匀性对喷管内流场的影响规律。结果表明：当喷管入口质量通量呈抛物面分布时，入口的不均匀性对喷管内流场影响较小，在喷管喉部位置不均匀效应基本消除；由俯仰过载导致燃气非垂直入射时，喷管入口位置流场周向不均匀性高达23%；随着燃气充分膨胀，不均匀效应减弱，在喷管扩张比达到92.8时，流场基本均匀，但是在有限扩张比条件下由入射角度导致的流场不均匀效应无法完全消除。

关键词：固体火箭发动机喷管大膨胀比流动不均匀内流场

喷注位置对多组分燃料超燃冲压发动机燃烧的影响

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航空动力学报 2024年第5期39卷 25-35页

作者：滑远帆李世鹏王宁飞于文浩马源辰北京理工大学宇航学院北京100081 中国航天科技集团有限公司北京航天动力研究所北京100076 沈阳航空航天大学航空宇航学院沈阳110136

为研究含铝高能量密度碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧组织细节,使用离散相模型(DPM)和简化反应机理对不同燃料喷注位置下燃烧流动过程进行了数值模拟。结果表明:使用七喷注器从上壁面进行燃料喷注时,出口截面处温度场形成了以近上壁... 详细信息

为研究含铝高能量密度碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧组织细节,使用离散相模型(DPM)和简化反应机理对不同燃料喷注位置下燃烧流动过程进行了数值模拟。结果表明:使用七喷注器从上壁面进行燃料喷注时,出口截面处温度场形成了以近上壁面轴线为中心低温-升至最高温-降至较低温度的分布特征,氧浓度在中心处的含量也较低,这都将影响燃烧反应的进程。在研究工况下随着喷注器与燃烧室入口距离增大,燃料比冲呈先增大后减小的变化趋势,在研究工况中实现燃料最大比冲11092 m/s,可以通过改变燃料从上壁面喷入燃烧室的喷注位置和优化喷注器布局等提升燃烧室性能,优化后最大比冲提升了12.68%。

关键词：多组分燃料超燃冲压发动机喷注位置燃烧性能喷注布局优化

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摩擦力对空间非导电绳系释放动力学的影响

兵工学报 2024年第4期45卷 1158-1167页

作者：梁福文苗龙田丰宋家辉白松何梓豪王宁飞北京理工大学宇航学院北京100081

当前空间非导电绳系释放过程因摩擦力数据缺乏,导致释放动力学仿真结果不能有效反映真实情况。为此,基于绳系地面释放平台,开展非导电绳系释放摩擦力测量实验,研究了系绳材料、直径、缠绕方向和释放速度对系绳释放所受摩擦力的影响,阐... 详细信息

当前空间非导电绳系释放过程因摩擦力数据缺乏,导致释放动力学仿真结果不能有效反映真实情况。为此,基于绳系地面释放平台,开展非导电绳系释放摩擦力测量实验,研究了系绳材料、直径、缠绕方向和释放速度对系绳释放所受摩擦力的影响,阐明非导电绳系释放过程影响球形效应不稳定现象的主要因素,确定非导电绳系释放摩擦力与释放条件之间的定量关系。进一步建立考虑摩擦力的绳系释放动力学模型。仿真结果表明,非导电绳系释放摩擦力对释放过程影响较大,对于500 m长的系绳,初始释放速度为2 m/s,在未考虑释放摩擦力时,绳系释放完成时间与考虑摩擦力的实际情况相差约20%。

关键词：空间绳系释放摩擦力地面实验释放速度动力学仿真

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装药及喷管型面对固体发动机涡声振荡影响

航空学报 2024年

作者：曹俊维李军伟王小东王宁飞北京理工大学宇航学院内蒙动力机械研究所

为研究某翼柱装药固体火箭发动机内部压力振荡的原因，应用大涡模拟等方法计算了流场，捕捉到了压强振荡频率与涡脱落频率，分析了不同时刻的燃面、不同喷管收敛段以及不同突扩结构对涡声耦合的影响。结果显示：翼柱型装药在燃面退移早... 详细信息

为研究某翼柱装药固体火箭发动机内部压力振荡的原因，应用大涡模拟等方法计算了流场，捕捉到了压强振荡频率与涡脱落频率，分析了不同时刻的燃面、不同喷管收敛段以及不同突扩结构对涡声耦合的影响。结果显示：翼柱型装药在燃面退移早期更易发生涡声振荡，燃烧末期时流场比较稳定；通过调整喷管收敛段的型面能一定程度上减弱压强振荡，但无法打破涡声频率；通过改变突扩结构能有效消除涡声耦合现象，从而抑制固体火箭发动机燃烧室不稳定燃烧现象。

关键词：涡声耦合压力振荡不同燃面不同喷管收敛段不同突扩结构数值模拟

燃烧室双旁侧二次进气固体燃料冲压发动机燃烧特性

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兵工学报 2024年

作者：常亚武志文王锐高琨鹏章喆王宁飞湖北航天化学技术研究所北京动力机械研究所北京理工大学宇航学院

针对固体燃料冲压发动机中因扩散燃烧带来的燃速与燃烧效率偏低问题，提出一种燃烧室双旁侧二次进气固体燃料冲压发动机方案，以提高固体燃料冲压发动机燃烧性能。基于雷诺转捩和涡耗散概念方程建立了冲压发动机燃烧模型，并对冲压发动... 详细信息

针对固体燃料冲压发动机中因扩散燃烧带来的燃速与燃烧效率偏低问题，提出一种燃烧室双旁侧二次进气固体燃料冲压发动机方案，以提高固体燃料冲压发动机燃烧性能。基于雷诺转捩和涡耗散概念方程建立了冲压发动机燃烧模型，并对冲压发动机基本模型（无旁侧进气）与双旁侧二次进气冲压发动机模型的内流场、燃面退移速率、燃烧效率等展开仿真计算，同时研究了旁路比对双旁侧二次进气冲压发动机性能的影响。实验结果表明：燃烧室双旁侧二次进气冲压发动机内流场将出现二次回流区、旋流区等新的流场特征，在一定程度上有助于增强发动机掺混燃烧；燃烧效率和比冲随旁路比的增加呈现先增加后降低趋势，并在旁路比为60%时两者最高，相较冲压发动机基本模型燃烧效率提升了将近40%、比冲提高了12.09%；推力随旁路比增加整体呈现增加趋势，在旁路比为60%时增量最大，之后推力增益效果随着旁路比的增加逐渐减小。

关键词：固体燃料冲压发动机二次进气燃面退移速率燃烧效率推力比冲

微真空电弧推力器阴极斑点烧蚀特性数值计算研究

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推进技术 2024年

作者：苗龙陆昶白松廖煜淦王宁飞北京理工大学宇航学院北京理工大学重庆创新中心

为了研究放电参数及阴极材料对微真空电弧推力器（μVAT）烧蚀与推力性能的影响规律，本文建立了μVAT阴极斑点烧蚀模型，完成了对推力器工作性能的数值计算研究，通过与实验数据对比验证了模型有效性。系统比较了几种典型阴极材料（Al,... 详细信息

为了研究放电参数及阴极材料对微真空电弧推力器（μVAT）烧蚀与推力性能的影响规律，本文建立了μVAT阴极斑点烧蚀模型，完成了对推力器工作性能的数值计算研究，通过与实验数据对比验证了模型有效性。系统比较了几种典型阴极材料（Al,Ti,Cu）的烧蚀特性，并获得了微真空电弧推力器工作中离子电流、阴极烧蚀率、阴极斑点烧蚀半径、推力、比冲、推功比及效率等性能参数与电弧电流之间的定量关系。结果表明，工作过程中电弧电流的变化及阴极材料的选取都会对推力器的工作性能产生较为显著的影响。综合考虑各目标性能参数需求，当使用铜作为阴极材料时推力器综合性能最优。

关键词：微真空电弧推力器阴极斑点模型电弧电流烧蚀率推力性能

空心阴极羽流等离子体放电不稳定性二维仿真模型

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兵工学报 2024年第4期45卷 1208-1218页

作者：田丰苗龙梁福文宋家辉何梓豪武志文王宁飞北京理工大学宇航学院北京100081

空心阴极放电过程中空间电势振荡会影响其工作性能,振荡过程产生的高能离子会对阴极孔产生溅射腐蚀,进而严重影响空心阴极的使用寿命。建立由质点网格(Particle-in-Cell,PIC)模型、振荡幅值模型与等效电路模型组成的一体化耦合模型来计... 详细信息

空心阴极放电过程中空间电势振荡会影响其工作性能,振荡过程产生的高能离子会对阴极孔产生溅射腐蚀,进而严重影响空心阴极的使用寿命。建立由质点网格(Particle-in-Cell,PIC)模型、振荡幅值模型与等效电路模型组成的一体化耦合模型来计算空心阴极放电过程电势振荡特性。采用PIC模型计算不同放电电流、放电电压及气体流量下羽流等离子体放电特性,获得羽流的电势、等离子数密度、电场强度和电子温度等时均参数的空间分布。基于等离子体聚集与耗散理论,建立电势振荡幅值模型,根据计算得到的时均参数来预估空间电势振荡幅值。将等离子体时均参数以及电势幅值振荡参数作为输入参数,代入到空心阴极放电等效电路模型中,从而得到相应工况下的电势振荡波形图。通过和实验结果对比发现,所建立的一体化耦合模型能较好地预估空心阴极羽流等离子体电势振荡特性,研究成果可用于指导空心阴极稳定放电,提升空心阴极在轨工作时限。

关键词：空心阴极质点网格模型电势振荡等效电路模型等离子体聚集与耗散

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横向复合过载下固体火箭发动机压强振荡研究

航空学报 2024年

作者：艾诗迪李军伟田忠亮韩磊王宁飞北京理工大学宇航学院北京航天发射技术研究所中国北方工业股份有限公司

飞行条件下固体火箭发动机常经历复杂过载情况，其内弹道骤然抬升或振荡偶有发生。为研究动态过载条件下固体火箭发动机燃烧室内压强特性，根据Greatrix燃速增强模型和考虑燃面退移的零维内弹道模型获得了过载与推进剂燃面质量流量关系... 详细信息

飞行条件下固体火箭发动机常经历复杂过载情况，其内弹道骤然抬升或振荡偶有发生。为研究动态过载条件下固体火箭发动机燃烧室内压强特性，根据Greatrix燃速增强模型和考虑燃面退移的零维内弹道模型获得了过载与推进剂燃面质量流量关系曲线；基于该关系对柱锥内孔装药进行了复合过载下的内流场仿真，研究了横向过载加速度、横向振动及振动频率对发动机动态压强特性和旋涡流动的影响。结果表明，随着横向过载加速度与横向振动的增大，燃烧室内平衡压强抬升和压强振荡幅值随之增大，在工作压强为10.54 MPa时加速度每增加1 g，横向过载加速度能提高0.02%压强振幅及0.35%平衡压强；横向振动频率从7 Hz上升至320 Hz过程中，压强振荡幅值逐渐减小，但在燃烧室声腔固有频率附近会因共振作用被放大，一阶共振（160 Hz）使压强振幅从0.16%提高到0.30%，为原振幅两倍；当复合过载频率与燃烧室声腔共振时，能量从推进剂表面传递进入燃烧室的过程更为有序。

关键词：固体火箭发动机复合过载压强振荡声腔共振流动特性

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触发激励下固体火箭发动机声腔特性实验研究

兵工学报 2024年

作者：曾佳进李军伟李强李涛张文昊卢健程王宁飞北京理工大学宇航学院辽宁北方华丰特种化工有限公司

为研究外部激励对固体火箭发动机稳定性的影响，搭建脉冲触发下固体火箭发动机声腔特性模型实验系统，开展固体火箭发动机轴向和径向空腔激励实验，研究节流孔径和触发方式对声腔振幅和衰减系数的影响。喉部节流工况下燃烧室中激发6阶... 详细信息

为研究外部激励对固体火箭发动机稳定性的影响，搭建脉冲触发下固体火箭发动机声腔特性模型实验系统，开展固体火箭发动机轴向和径向空腔激励实验，研究节流孔径和触发方式对声腔振幅和衰减系数的影响。喉部节流工况下燃烧室中激发6阶以上轴向振荡，获取各阶振荡固有频率和衰减系数。研究结果表明：利用互相关分析测得燃烧室声速接近604.2 m/s，基于实测声速的频率预示误差为10.1%；振荡按衰减快慢可划分为两个阶段；脉冲器输入发动机压力振荡频率及发动机各阶模态振荡幅值均随节流孔径增大而增大，同时第1阶段衰减变快，而第2阶段衰减变慢；第1阶段在燃烧室头部轴向激励产生的振荡衰减快于径向激励，与喷管入口相比非线性特征更强。

关键词：固体火箭发动机固有频率衰减系数脉冲触发互相关分析