固体火箭发动机随控流体喉部的数值和实验研究

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雅宝题库解析：
流体喉部（FNT）喷管可用于作为推力实时调控的姿轨控、主动力系统的技术实现途径或作为固体燃气发生器的流量调节技术。它能最大限度利用现有固体火箭发动机的技术、部件和材料，在短时间内使固体火箭发动机技术得到较大提高。为了解FNT喷管的工作特性，发展适合工程应用的FNT喷管，本文采用实验和数值模拟手段，围绕将FNT喷管应用在固体火箭发动机上遇到的题目展开。主要进行了如下几方面的研究：（1）FNT喷管的喉部调节性能研究。为了寻求性能高和易于工程应用的FNT喷管，本文进行了冷试研究和数值模拟研究。通过冷流实验得到了FNT喷管的有效喉部面积随流量比（二次流/主流）变化的一般规律，并重点考察了喷嘴的面积比、个数、构型等参数对有效喉部面积的影响。随后利用CFD对FNT喷管进行了参数化研究，考察了更多的喷嘴构型、喷射角度、喷射工质参数、有源/无源不同方案以及多喷嘴组合方案对FNT喷管扼流性能及推力效率的影响。最后从数值模拟结果中还归纳得到了FNT喷管的特征函数曲线，方便指导工程设计。（2）两相流条件下颗粒相的干扰。为提高固体火箭发动机的比冲，往往在推进剂中加入金属粉末。颗粒相的存在会对气动喉部产生扰动并带来喷管性能的改变。采用颗粒轨道模型，对两相条件下FNT喷管的流场、颗粒运动轨迹以及颗粒相参数对性能的影响进行了分析。结果表明两相流条件下“流量系数比-流量比”曲线偏离纯气相时的结果，偏离的方向与大小跟颗粒相的尺寸、含量和修正流量比都有关。利用多尺寸分级模型考察了典型尺寸分布对FNT喷管的扼流性能、流场特征和喷管效率的影响。在多尺寸分级模型的计算中还观察到：当二次流喷嘴设置在喉部上游时，某些颗粒尺寸范围内的颗粒容易与喷嘴出口发生碰撞。研究结果为两相流条件下合理设置二次流喷嘴提供了依据。（3）矢量控制。为提高系统的工程应用价值，提出FNT喷管与二次流喷射TVC系统整合的方案，使FNT喷管即能实现推力的大小调节同时还能进行矢量控制。着重对喉部和扩张段同时存在二次流时的联合工作模式进行了数值模拟研究。探索了适合FNT喷管的二次流TVC机制，得到了联合工作模式下不同工况、喷射组合方案的推力矢量角随二次流流量比的变化曲线，比较了不同方案的喉部控制和矢量控制性能。结果发现联合工作模式下的侧向力大小与推进剂的压强指数n有关，n越大，在相同的二次流流量下可以得到的侧向力越大；而对于传统的激波诱导矢量控制方式，侧向力的变化曲线与推进剂的压强指数无关。（4）方案与应用研究。探讨了FNT喷管用于姿轨控系统、主动力推进系统的可行方案、工作模式；分析了这些典型方案的特性和提高工程应用价值的途径及改善措施；讨论了满足实际应用所需达到的基本性能要求和适合的推力控制模式。对FNT喷管的喉部调节（推力调节）过程建立了二维和三维非定常数值模型，利用数值模型得到了FNT喷管调节推力时的非定常流场特征和不同二次流总压下的室压、推力变化曲线；并得到了空腔容积、喷射角度等主要参数对推力响应时间的影响。（5）烧蚀研究。采用热化学烧蚀模型对FNT喷管的C/C喉衬进行了烧蚀传热计算。结果表明二次流喷入后可以改变喷入处及下游的烧蚀率分布，因而在几何喉部或几何喉部的上游喷入低温的惰性气体，或者是富燃成份的燃气，就会明显降低近壁区的温度或减少近壁区的氧化成分，从而达到降低烧蚀率的目的。另外，二次流还可以对烧蚀退移的喉部型面进行主动补偿，可以准确维持喉部面积在设计值附近，使推力和室压保持稳定。在这部分的研究分析基础上提出了基于FNT技术的主动热防护概念。