固体火箭发动机羽流对火箭底部辐射加热的计算与实验研究

研究固体火箭发动机羽流的辐射对发动机的热防护设计和运载火箭的可重复使用设计有重要的意义。传统羽流流场研究较少关注与发动机内流场的耦合及羽流中的化学反应，难以体现内外流场的统一性和羽流的后燃效应；而现有计算羽流气体光谱辐射的波带模型难以涵盖气体的数十万条谱线，无法与结构的传热及温度计算耦合。本申请拟在项目组前期的研究基础上，研究集固体火箭发动机燃烧室、尾喷管、后燃区与羽流于一体的统一流场，构建发动机内外流的化学反应两相统一流场理论模型，计算流场参数；采用Mie理论计算AL2O3粒子的光谱特性，构建体现羽流气体光谱辐射性质的全波长相关吸收系数模型，进一步采用离散坐标法求解羽流的方向三维光谱辐射场；然后根据羽流辐射场的结果计算发动机底部的导热/气动/辐射耦合传热及瞬态三维温度场；最后借助缩比模型实验，测量发动机底部的热流和温度，结合相似分析，校正理论模型，为固体火箭发动机的热防护设计提供依据。

本项目研究固体火箭发动机燃烧室、尾喷管、后燃区与羽流于一体的统一流场，构建发动机内外流的化学反应两相统一流场理论模型，计算流场参数；采用Mie理论计算AL2O3粒子的光谱特性，构建体现羽流气体光谱辐射性质的加权灰气体加和模型（WSGG），进一步采用控制容积积分法求解羽流的方向三维光谱辐射场；然后根据羽流辐射场的结果计算发动机底部的导热/气动/辐射耦合传热及瞬态三维温度场；最后进行缩比模型发动机羽流和原尺寸发动机羽流的辐射计算，分析羽流辐射的相似特征，为缩比模型发动机羽流辐射实验和计算研究提供参考。 .为获得不同缩比尺寸固体火箭发动机羽流辐射的相似特征，以三叉戟D5火箭发动机为例，研究地面工况下，几何尺寸缩比为0.1、0.2、…、1的发动机羽流辐射间关系。非均匀吸收/发射/散射性羽流在2~6μm波段的定向光谱辐射场采用有限体积法（FVM）计算，其中燃气组分的光谱特性用加权灰气体加和（WSGG）模型计算，三氧化二铝(AL2O3)粒子的光谱特性用Mie理论计算；还计算了羽流高温核心区外围表面积分的辐射强度。研究发现：随发动机几何尺寸减小，发动机羽流的红外波带辐射呈尺寸比的二次方规律下降；羽流的红外辐射主要呈现AL2O3粒子的光谱连续性，AL2O3粒子作用使羽流红外辐射大幅增强，但在气体组分的辐射峰值光谱羽流辐射有显著下降。.为研究固体火箭发动机地面和高空飞行过程中羽流红外辐射随飞行高度的变化，计算了某型固体火箭发动机在地面试车和7.5 km～80 km之间一系列高度工况下，发动机内、外流场和红外波段2～6 m的辐射。研究发现：随飞行高度上升，环境压力下降，羽流体积膨胀，其中高温核心区气相温度迅速下降，Al2O3颗粒浓度也所有下降，但颗粒温度仍比较高。发动机在地面工作时，羽流的强辐射带沿其轴线呈连续状分布；但在高度小于22.5 km的低空飞行时，羽流的强辐射带除了出口区域以外，还在出口下游的后燃区出现。羽流的红外辐射亮度在纵截面上具有轴对称性。在光谱分布方面，发动机飞行高度小于40 km时，羽流辐射呈现燃气辐射的光谱差异性，但发动机在40 km高度以上飞行时，羽流辐射呈现高温颗粒辐射的光谱连续性。