高比冲小推力脉冲爆震火箭发动机特性研究_刘翔.pdf

第 卷 第 期 年 月空间控制技术与应用 :引引用用格格式式：刘翔，聂万胜，张晧涵，等 高比冲小推力脉冲爆震火箭发动机特性研究 空间控制技术与应用，（）：，（）：（）：高比冲小推力脉冲爆震火箭发动机特性研究刘 翔，聂万胜，张晧涵，周思引 航天工程大学，北京 西安卫星测控中心，西安 摘 要：在轨快速机动与姿态调整问题成为近年来航天领域的研究热点之一，这一问题推动了高比冲小推力化学燃料发动机的发展 基于爆震燃烧的脉冲爆震火箭发动机，具有热效率高、比冲高、结构简单等特点本文针对脉冲爆震火箭发动机开展了关键性能研究，首先给出爆震燃烧的数学物理模型，介绍了等容循环模型分析方法；然后将爆震波数值仿真结果与理论计算结果进行了对比，验证了所用模型与算法的合理性；最后采用数值仿真方法对不同外界气体工质、喷管构型、环境压力下发动机内流场特性及发动机性能参数进行了研究；结果分析表明脉冲爆震火箭发动机具备高比冲、小推力特性，其中收敛扩张型喷管对发动机性能增益最大，且随着环境压力降低，发动机推力增大关键词：脉冲爆震火箭发动机；比冲；推力；爆震波；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；录用日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）通信作者：引 言近年来在轨快速机动与姿态调整问题技术是航天领域研究的热点之一，连续小推力轨道转移技术急需新一代高比冲、小推力发动机 脉冲爆震发动机一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生高温、高压燃气来产生推力的新型推进系统 传统化学火箭发动机采用等压燃烧方式，其热效率远低于基于类似定容循环的爆震燃烧方式 而电推进装置可产生推力在毫牛量级，仅为化学推进的几千分之一，可提供的加速度较小，不适用于机动性要求较高需求的推进任务 脉冲爆震发动机特有的高比冲、热效率高、结构简单等优势使得其微小化转型成为可能，爆震技术可能成为未来飞行器推进系统的一大趋势脉冲爆震发动机中的爆震波由激波后面紧跟一道燃烧波组成，燃烧过程具有很高的燃烧速度和反应物转换速率 爆震波自增压的特点使得发动机摆脱了传统的压气机和涡轮增压部件，降低了重量、复杂性、研制成本以及体积，同时脉冲爆震发动机推力空域可从零连续调节到最大值 脉冲爆震发动机在一个工作周期中包括氧化剂和燃料的填充、爆震波的触发与传播、膨胀与排气、吹除 其一般由推进剂供给系统、燃料氧化剂支管、精密流量控制阀、爆震激发和控制系统、爆震室、热保护系统和喷管组成 当爆震频率很高时可近似认为工作过程是连续的，提供连续推力 现有的研究表明脉冲爆震发动机研究针对性强、系统集成度高，可能率先获得工程应用 本文主要探讨了面向高比冲、小推力需求的脉冲爆震发动机，建立物理模型并开展内流场模拟仿真，同时利用美国航空航天局研究开发的（）程序进行热力学与化学平衡数值计算，验证模型可靠空间控制技术与应用第 卷性，仿真主要分析燃烧室不同环境工质、喷管构型和不同环境压力对比冲、推力影响 物理模型和计算方法 爆震波模型在等截面管道中爆震波以速度向前传播，如果要以定常的的方法来研究爆震波，必须要将它转换到相应坐标系中图 中、为爆震波前（即爆震波还未到达时）预混气体压力、速度、密度，、为爆震波后（即燃烧后）燃气压力、速度、密度，为模拟外界输入热量 上述物理模型转换为来流以速度 接近爆震波，燃烧反应的气体以 向远离爆震波方向运动，则问题转换成了仅有外界输入热量的一维定常流动图 一维爆震波坐标转换示意图 等容循环模型由于爆震波以高超声速传播，所以脉冲爆震火箭发动机运行过程中爆震波传播所需时间极短，远小于排气时间，所以在一个循环过程中从爆震室排除的气体质量忽略不计，其燃烧过程可近似认为是等容过程 等提出了一种基于上述理论的等容循环（，）模型近似计算带喷管的脉冲爆震火箭发动机在不同环境工质和真空条件下的性能 模型中假设脉冲爆震发动机的一个工作循环过程由 个过程组成，分别是等压填充、等容燃烧、等容排气和等压排气，如图 所示 可燃气体从进气阀进入爆震室，填充压力为，以此填充结束时刻为一个工作循环起始时刻；填充过程结束后立即点火开始燃烧，等容燃烧近似认为密度不变，近 时刻时燃烧过程结束此时温度为，压力为；时燃烧结束，即爆震波传播过程结束，打开排气阀开始进行等容排气过程，过程中环境参数每一时刻用、表示 当爆震室内的压力下降到初始填充压力 时，等容排气结束，开启进气阀；最后，随着新预混气体的喷入，上一个循环燃烧产物被进一步排出图 等容循环工作过程示意图 爆震发动机模型及计算方法脉冲爆震发动机内流场是基于二维 方程的不可压缩流体运动，在直角坐标系中其沿、轴分量形式为：()()，()()（）式（）中，是流体在 时刻在点（，）处的速度分量，是压力，是单位体积流体受的外力，常数 是动力粘度 方程左侧表示流体密度和流体微团速度如何随时间变化，包含动量积蓄量和对流动量项；右侧表示所有作用在流体上的力，包含流体内部压力、粘性力及作用于流体外力为了研究爆震波在爆震室内的形成及传播过程，以及从爆震室传入喷管后波的结构和特性，本文采用如图 所示的模型（图示为计算域），一端封闭，另一端是开放环境 其中第一个构型验证模型准确性，与 计算程序对比分析并进行网格无关性检验 其直径为 ，长度为 ，喷管先以 角收敛到直径 的喉部，而后以角发散到指定出口直径 考虑到爆震管的轴对称特性，为减少计算时间提高计算效率，计算域为实际物理模型的一半 另设计三款不同构型爆震管，以对比不同喷管构型对发动机特性影响，尺寸如图 所示根据实际情况，对网格采取不同区域不同疏密程度进行划分，在近壁面和喉部将网格加密，喷管沿轴线向外逐渐稀疏 计算域的网格最小间距为 ，如图 所示第 期刘 翔等：高比冲小推力脉冲爆震火箭发动机特性研究图 计算域示意图 图 模型网格划分局部放大图 模型仿真采用 分离式求解器算法进行方程组求解瞬态 方程，以加快计算收敛 为获得较高精度，采用二阶迎风格式进行计算 仿真中组分选择满足化学恰当比的氢气氧气混合物在爆震室内预混合，流场初始温度 ，初始压力为一个大气压 针对本文的仿真实验模型为轴对称模型，所以沿爆震室和喷管轴线（轴）分为两部分，将轴线设置为对称轴边界条件，这样只需要对模型的一半做计算，大大减少了计算量从而提高了计算效率，入口为封闭段设置为壁面条件，出口设置为压力出口条件，其余均设置为无滑移绝热壁面边界条件本文采用热点火方式，通过在靠近封闭端位置定义一个温度 的高温区域，使氢氧混合物在封闭端直接起爆，向下游开口端传播 仿真结果 计算模型及网格无关性验证设置基本工况，以化学恰当比在爆震室内填充氢氧混合物，使其充分预混合，设置初始压力为 个大气压，温度为 ，喷管内填充氢气作为环境工质；环境压力为 个大气压，温度为 根据爆震室内流场的计算结果表明大约在 后爆震室内已经形成了稳定自持的爆震波程序是一个比较成熟和稳定的燃烧平衡产物计算程序，它可以计算各种燃烧方式下的平衡成分 其采用最小自由能法计算平衡产物，进而应用牛顿雷夫森迭代法计算爆震产物的各种热力学数据，经过十几年的修改和完善以及大量试验数据对比表明，其计算结果很准确 通过基于（）理论的 程序计算得到理论参考爆震波速度为 ，压力为 理想爆震波结构是由超声速传播的激波与随后的化学反应区组成的，未燃气体经过激波压缩后压力会大幅提升至 压力峰值，激波后发生化学反应释放热量，燃气压力降至 爆震压力 理论上 压力峰值为 压力的两倍，即 ，对本文结果分析是通过比较形成稳定爆震波后的两个时刻爆震波峰面位移，计算出本文仿真得到的稳定爆震波波速为 ，压力峰值为 对比结果可得，爆震波速和压力误差分别为 和，由于 程序计算过程未考虑任何耗散作用，同时数值仿真采用了总包化学反应机理，因此仿真获得爆震波速与 计算结果略有偏差，说明建立数值模型合理选取三种不同数量的网格模型进行网格无关性验证，其中 为 网 格 量，为 网格量，为 网格量，模拟对比分析了不同网格密度下压力参数的变化，根据 计算结果，导出轴线压力数据并处理生成轴线压力分布图，从图 中压力分布可以看出结果符合文献 中爆震波（）结构 对于流场压力，和 模拟结果较为接近，而 模拟计算结果差异较大，综合考虑计算成本和精确度，可认为 网格模拟结果已经达到网格无关性 爆震喷管不同环境工质对发动机性能影响为研究不同环境工质对发动机性能的影响，本节以外界环境工质为变量，计算了在爆震室内以化学恰当比将氢氧燃料进行预混合，初始压力 个大气压，初始温度为 ，外界环境压力为 个空间控制技术与应用第 卷大气压 以基本工况为基础，喷管全部填充；另一种工况将喷管内填充为 图 轴线压力分布图 流场云图（）发现，改变喷管内的环境工质对于初始爆震管内的燃烧反应过程及流场特性并不会产生影响 时，爆震波经过喷管收敛段进入扩张段，此时从发动机内的流场云图 中已经可以看出明显区别，喷管内填充 的算例中波的传播明显快于喷管内填充 的算例，且前者由于正激波的作用形成了一道马赫盘应用理论计算公式，求得不同环境工质性能参数，工况（）和工况（）推力各为 、，比冲各为 、通过对计算结果的比较可以看出，喷管内填充环境工质为 的工况的推力比冲均大于喷管内环境工质填充 的工况，推力增加 ，比冲增加 这是在燃气内能转换为排气动能提供推力的基础上，环境工质氢气具有支持燃烧的作用，喷管内的 为能量转换动能提供了增幅，从而使推力和比冲进一步增加 但是在排气段后期，由于气流在喷管的扩张段内过度膨胀，也会造成发动机的性能损失 不同喷管构型对发动机性能影响脉冲爆震火箭发动机的非稳态运行特点对排气喷管的设计、选取和分析研究带来了挑战性难题，至今还没有发展出能够指导相关排气喷管设计的理论 由于喷管构型、推进剂、初始条件等研究条件存在差异，对于喷管效用的研究结论也不尽相同 本节主要研究了收敛喷管、扩张喷管以及收敛扩张喷管三种喷管构型对脉冲爆震火箭发动机单次爆震过程流动以及排气性能的影响 图 时不同环境工质发动机参数云图 （）第 期刘 翔等：高比冲小推力脉冲爆震火箭发动机特性研究图 时不同环境工质发动机参数线图 （）通过内流场云图（）发现，由于在爆震波在经过可爆氢氧混合物与喷管内填充的不可爆物质氮气的交界进入喷管以前不会向上游反射膨胀波和压缩波，喷管构型对爆震管内爆震波的发展传播不会产生影响 时，燃气传播至喷管段，此时从发动机内的流场云图 中已经可以看出三种喷管构型内的流场区别明显 喷管收敛段的存在，使得带收敛喷管和收敛扩张喷管的发动机内流场更为复杂 由于收敛段对燃气的加速作用，收敛喷管和收敛扩张喷管中燃气的特性数值均高于扩张喷管，且收敛扩张喷管的近喉部位置产生了一处高压点，分析得知是由于强激波的交叉作用产生的，也叫做热点 在接近排气出口的位置，收敛扩张喷管图 时不同喷管构型发动机物理量云图 （）空间控制技术与应用第 卷的速度最大，即燃气内能转化的动能较大 压力分布中可以看到，收敛扩张段 轴上一处位置压力峰值明显过高，该热点速度几乎为，这是由于复杂波系速度矢量叠加造成的如图 所示，时不同喷管构型发动机流场压力、速度、温度沿 轴分布 从图（）中的压力分布可以看到，收敛扩张喷管内 轴线上一处位置的压力峰值明显高于其他两种，对应的便是图（）中提到的热点，且该点速度几乎为，这是由于复杂波系的速度矢量叠加造成的 图（）看来，在接近排气出口的位置，收敛扩张喷管的速度最大，即燃气内能转化的动能较大 图（）温度分布中三者区别不大图 时不同喷管构型发动机参数线图 （）经理论计算得知，收敛喷管推力比冲分别为 、；扩张喷管推力比冲分别为 、；收敛扩张喷管推力比冲为 、通过对计算结果的比较可以看出，带有收敛扩张喷管发动机的性能参数均高于其他两种构型的喷管 不同环境压力对发动机性能影响鉴于 节得出结论带有收敛扩张喷管发动机性能较高，面向未来脉冲爆震发动机空天应用中不同高度环境压力不同，本节针对该模型发动机为基础设置三组不同环境压力工况进行分析对比观察流场云图（）可以发现，燃气未到达喷管时，爆震波的状态以及沿 轴线上物理量分布情况一致，二者的流场特性完全相同 所以改变喷管出口环境压力，对