本文關鍵詞：熱水火箭發(fā)動機工作特性分析及實驗研究

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【摘要】：目前火箭發(fā)動機發(fā)展已有多元化的趨勢，在應對空間探索和地面推進等領域有越來越廣泛的需求。化學能火箭發(fā)動機一直是在短時間內(nèi)實現(xiàn)大推力需求的首選，但是其推進劑會對環(huán)境造成一定的污染，隨著人類環(huán)保意識的增強，為了保護人類的生存環(huán)境，尋求一種清潔的火箭推進方式及推進劑就成為了當務之急。以熱水作為推進劑的火箭發(fā)動機簡稱熱水火箭發(fā)動機，與以純蒸汽為工質(zhì)的火箭發(fā)動機相比，熱水火箭發(fā)動機由于噴射密度大，因此具有推力大的優(yōu)點；與傳統(tǒng)的化學能火箭發(fā)動機相比，由于推進劑采用的是常規(guī)水，因此具有綠色環(huán)保、成本低等優(yōu)點。 為了了解熱水火箭發(fā)動機的內(nèi)彈道性能，搭建了熱水火箭發(fā)動機實驗系統(tǒng)，并且分別在不同初始壓強、不同噴喉直徑、不同加水量的情況下進行了實驗。通過實驗，發(fā)現(xiàn)了在發(fā)動機工作工程中，其壓強曲線都是經(jīng)歷一個先急劇下降后緩慢下降的過程。并且分析得出：熱水火箭發(fā)動機的比沖受初始壓強值的影響較大，而與噴喉直徑或者加水質(zhì)量無關。 為了研究熱水火箭發(fā)動機的工作性能，本文建立了水的閃蒸相變模型，并且運用到熱水火箭發(fā)動機工作過程的數(shù)值模擬中，并且通過與實驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了模型的合理性與準確性。 通過對發(fā)動機噴管的研究，把噴管的流動分為三個過程：單向流動過程、降壓閃蒸過程和膨脹加速過程。并且發(fā)現(xiàn)：在噴管的流動過程中，收斂段中壓力首先降到初始溫度對應的飽和壓強，然后繼續(xù)降低，并且在喉部的位置開始發(fā)生相變，從而使流動變?yōu)闅庖簝上嗔�。由于變聲速的原因，，可以使兩相流的流動在喉部之后達到超聲速。 為了了解熱水火箭發(fā)動機噴管性能的影響因素，分別對不同參數(shù)條件下噴管的內(nèi)流場進行數(shù)值模擬。重點研究不同初始條件如不同初始壓力、初始氣體體積分數(shù)及過冷度和不同噴管結構如不同擴張比、收斂半角及擴張半角對噴管推力的影響規(guī)律，計算結果表明：初始壓強越大，推力越大；隨著入口氣體體積分數(shù)增大，推力會有一個先增大后減小的過程；發(fā)動機內(nèi)部初始溫度越接近于飽和溫度，推力越大；隨著擴張比的增加，推力會有一個先增大后減小的過程；收斂半角對推力影響不大；擴張半角越大，推力越小。 通過研究堵塞對發(fā)動機工作的影響發(fā)現(xiàn)：在堵塞還沒有完全從噴管中運動出去之前，由于堵塞的存在，使得堵塞靠近噴喉部分的前面的一部分比周圍的壓力要大，同時使得堵塞靠近噴喉部分的前面的一部分的氣體體積分數(shù)比周圍的要小，使得速度在擴張段有一個先增大后減小，然后增大的過程。 通過對發(fā)動機非穩(wěn)態(tài)工作過程的研究，把發(fā)動機工作過程劃分為三個階段：初始段、中間段和拖尾段，這與常規(guī)的火箭發(fā)動機不同，沒有明顯的平衡段。 通過研究不凝氣體對發(fā)動機工作的影響發(fā)現(xiàn)：不考慮空氣時發(fā)動機的最大推力要大于考慮空氣時的最大推力；不考慮空氣時發(fā)動機的工作時間要大于考慮空氣時的工作時間。 通過研究重力對熱水火箭發(fā)動機工作的影響發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機尺寸不夠大的情況下，重力對發(fā)動機的工作的影響基本可以忽略。對于大尺寸的發(fā)動機，考慮和不考慮重力兩種情況下發(fā)動機的最大推力值基本相同，考慮重力的情況下發(fā)動機的工作時間比較長，總沖較大。 提出了最大推力、加水充填比、比沖的工程計算公式，并且對熱水火箭發(fā)動機的設計步驟進行了總結。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V434

【參考文獻】

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本文編號：1180528