变推力固液火箭发动机燃烧过程研究

The transient regression rate, static and dynamic characteristics, and transient flow fields of variable thrust hybrid rocket motor are studied in this program. The motor employs hydrogen peroxide as oxidizer and HTPB as the fuel. The model of transient regression rate is established and the control process of regression is studied considering the effect of fuel port size, combustion pressure and oxidizer/fuel ratio. The static modeling is conducted to investigate the variation and influence factors of regression rate, specific impulse and characteristic velocity. Dynamic modeling is performed to investigate the response and overshoot of the hybrid rocket motor considering the effect of vaporization delay, thermal lags in solid fuel and diffusion combustion delay. A 2D axisymmetric transient numerical simulation is conducted to calculate the transient combustion flow field in the variable thrust hybrid rocket motor. The results of this program would provide a strong basis for the development and application of the variable thrust hybrid rocket motor.

本项目针对H2O2/HTPB固液火箭发动机，开展变推力固液火箭发动机瞬时燃速规律、静动态特性和非稳态流场结构的研究。考虑药柱通道尺寸、燃烧室压强、氧燃比等因素，建立瞬时燃速模型，研究燃速的控制机理；在瞬时燃速模型的基础上，建立变推力固液火箭发动机的静态模型，研究燃速、比冲、特征速度等静态参数在推力调节过程中的变化规律及其影响因素；考虑氧化剂蒸发时滞、燃料热解时滞和燃烧时滞等因素，建立变推力固液火箭发动机的动态模型，研究响应时间、超调量等动态响应参数及其影响因素；考虑液体氧化剂及蒸发、燃料的热解、燃面的退移和化学反应，开展变推力固液火箭发动机非稳态流场的数值仿真，研究非稳态流场结构及其变化规律。通过本项目研究，可以深入了解和掌握变推力固液火箭发动机的燃速规律和静动态特性，揭示变推力固液火箭发动机的流场结构，为变推力固液火箭发动机的发展和应用奠定基础。

变推力火箭发动机可以为航天飞行器提供可控动力，提高飞行器对飞行任务和轨道的适应性和可操作性，是航天飞行器动力系统的理想选择。固液火箭发动机通过改变氧化剂流量就可以实现推力调节，且具有简单可靠、成本低、安全性好等优点，非常适合作为变推力火箭发动机。本文针对过氧化氢变推力固液火箭发动机，开展了理论分析、数值仿真、试验研究和应用研究。.分析了固体药柱通道直径和形状对燃速的影响，并在此基础上对现有的燃速模型进行了修正，提出了一种新的燃速模型，采用数值仿真结果和试验结果验证了修正燃速模型的正确性，结果表明固体燃料的燃速随氧化剂流率增大而增大，随固体药柱通道的水力直径增大而减小。.分析了变推力固液火箭发动机工作过程中，氧化剂流量变化和药柱通道直径变化对固体燃料的燃速、燃料流量、氧燃比、燃烧室压强和推力等稳态性能的影响。考虑固体燃料的热响应、边界层的响应、燃烧室和喷管的气体动力学，建立了变推力固液火箭发动机的响应特性分析模型，分析了燃速、燃烧室压强等性能参数的响应特性及其影响因素，结果表明固体燃料的燃速不能对壁面热流或氧化剂流量的变化立即产生响应，需要一定时间进行调节，且调节过程中存在滞后和超调现象。.考虑固体燃料内部的导热、发动机内的湍流燃烧和固体燃料表面的流固耦合，建立了固液火箭发动机的二维轴对称数值仿真模型，开展了H2O2/PE变推力固液火箭发动机的稳态和瞬态数值仿真，获得了不同氧化剂流量下的稳态流场、燃速和燃烧室压强，研究了发动机启动、推力调节和关机等瞬态过程中的流场结构和性能参数变化曲线，分析了推力调节比、氧化剂流率、发动机尺寸大小和氧化剂调节速率对发动机响应性能的影响。结果表明，燃烧室压强随氧化剂流量线性增加；推力调节比对推力调节过程中的响应特性影响较大，氧化剂流率的影响较小，推力调节过程中的响应速度随发动机尺寸增大而降低。