偏二甲肼凝胶燃料喷射液滴高压蒸发燃烧机理研究

Gel propellants potentially combine the advantages of liquid propellant and solid propellant. In order to improve its storage stability and handing safety, the unsymmetrical dimethylhydrazine (UDMH) is being gelled by adding the organic gellant. Because of the addition of gellant to UDMH, evaporation and combustion processes of gelled UDMH are different from those of pure UDMH. However, previous investigations haven't concentrated on the combustion processes of gelled UDMH fuels. Therefore, the present study is focused on the evaporation and burning behaviors of gelled UDMH spraying droplets within high-pressure convective environments for the first time. The experiment of the burning behavior of gelled UDMH droplets especially within a high-pressure convective environment is designed and conducted to reveal the evaporation and burning mechanisms both of gelled UDMH fuel and gelled metallized UDMH fuel. Additionally, the effect laws of chamber operational parameters, propellant injected parameters and formulation on the evaporation and burning processes of gelled UDMH droplets in the high-pressure convective environments are studied by modeling and simulating. This work will supply the theoretical foundation for performance analysis of gelled propellant and design of gelled rocket engines. And it is expected to acquire a possible breakthrough in the evaporation and burning mechanisms of gelled metallized UDMH fuel.

凝胶推进剂兼具液体推进剂和固体推进剂的优势，偏二甲肼自燃推进剂凝胶化已成为其提高推进剂贮存稳定性、操作安全性等性能的主要趋势。但偏二甲肼凝胶燃料蒸发燃烧机理与传统的偏二甲肼液体推进剂差别很大，且目前国内外其它相关文献还没有关于偏二甲肼凝胶燃料蒸发燃烧特性研究的报道。针对上述问题，本课题首次提出考虑燃烧室中凝胶推进剂喷雾液滴的蒸发燃烧过程是在高压对流环境下进行的实际情况，以偏二甲肼凝胶燃料和金属化偏二甲肼凝胶燃料为研究对象，设计凝胶燃料喷射液滴高压蒸发燃烧实验，揭示偏二甲肼凝胶燃料喷射液滴在高压环境下运动过程中的蒸发燃烧机理与规律，并通过建模仿真，系统研究燃烧室环境参数、推进剂喷射参数、凝胶燃料配方对偏二甲肼凝胶燃料喷射液滴高压蒸发燃烧过程的影响规律。项目研究成果将为新型凝胶推进剂性能分析及凝胶火箭发动机设计提供科学依据，并有望在金属化偏二甲肼凝胶推进剂蒸发燃烧机理上取得突破。

凝胶液体火箭发动机兼具液体火箭比冲高、推力可控和固体火箭安全性好、易长时间储运的优点。凝胶液体火箭发动机喷雾液滴蒸发燃烧特性严重影响发动机燃烧效率、燃烧稳定性，掌握凝胶液滴的蒸发燃烧特性是优化发动机设计的基础。本项目主要针对偏二甲肼凝胶液滴，采用仿真与实验相结合的方法深入研究其非稳态蒸发燃烧特性，为凝胶液体火箭发动机优化设计提供指导。.1、设计了常压/加压对流氧化剂环境下凝胶液滴着火燃烧实验系统，开展了凝胶液滴着火燃烧实验研究，根据火焰形态变化揭示了凝胶液滴蒸发燃烧机理，并详细分析了氧化剂浓度、温度、压力、对流速度对凝胶液滴着火燃烧特性的影响。.2、建立了静止环境下凝胶液滴非稳态多组分球对称蒸发模型，仿真对比分析了高温静止环境下凝胶液滴/液体液滴非稳态蒸发特性。.3、建立了静止环境下有机凝胶液滴气相着火燃烧有限速率化学反应动力学模型，重点基于详细气相化学反应机理，仿真分析了发动机启动、稳态工作两种典型工况下，凝胶液滴着火燃烧过程特性。.4、建立了对流环境下凝胶液滴非稳态多组分轴对称蒸发模型，仿真分析了高温对流环境下凝胶液滴在胶凝剂膜形成前的蒸发特性。.5、建立了对流环境下凝胶液滴气相着火燃烧相容性层流火焰面模型，重点基于详细化学气相反应机理，仿真计算了对流氧化剂环境下凝胶液滴在胶凝剂膜形成前的着火燃烧特性。.6、开展了压力振荡环境下常规UDMH液滴蒸发过程实验与仿真研究，获得了压力振荡环境参数与液滴生存时间的经验公式，以及不同环境条件下压力振荡频率与振幅对液滴蒸发特性的影响规律。.7、开展了压力振荡环境下常规UDMH液滴着火燃烧过程实验与仿真研究，考察了压力振荡对液滴燃烧过程及火焰结构影响，获得了压力振荡环境参数与液滴燃烬时间的经验公式，以及不同环境条件下压力振荡频率与振幅对液滴燃烧特性的影响规律，并同压力恒定环境下液滴燃烧特性进行了比较。