粉末火箭发动机推力调节的试验研究

作者:黄明文 来源:推广部 时间:2018-12-19 16:17

随着深空探测技术的发展,近年来越来越多的国家开始探索火星或制定火星探测计划。由于火星大气中含有95.3%的二氧化碳气体,因此提出了一种新的动力系统,该系统直接从地球运送粉末燃料,并在火星大气中使用二氧化碳作为氧化剂。研究人员研究了不同类型粉末燃料与二氧化碳的燃烧反应。在考虑诸如发动机的冷凝相损失和点火性能以及燃烧特性之类的因素之后,最终将镁粉确定为CO 2。气体是粉末火箭发动机作为氧化剂的最佳燃料。作为一种新型推进系统,粉末火箭发动机采用高能量密度金属或非金属粉末作为燃料,CO2或其他粉末作为氧化剂,具有高能量密度比、,大、推力可调、,多次启动、安全性好性能和其他优势,是火星探测和下一代战术导弹的理想动力装置。大多数国外进行粉末火箭发动机点火试验,以CO2为氧化剂,镁粉为燃料。主要目的是点燃和燃烧性能。目前,最大压力为2.4MPa,工作时间为42.5s,推力为53N。虽然粉末火箭发动机的推力调节技术原则上是可行的,但没有相关的研究报告。利用该特性可以实现对飞机的灵活控制,有利于飞机弹道优化和能量管理。

本文针对粉末火箭发动机、的燃料供应,启动了、稳定燃烧和推力调节的关键技术,并进行了可行性试验。

1粉末火箭发动机试验系统

1.1测试系统

粉末火箭发动机测试系统,主要由粉末燃料供应系统、测试引擎、点火系统、供气系统、视频监控系统、数据测控系统和测试台组件组成。氧化剂供应系统由两条独立的管路组成,每条管路由一个单独的电磁阀控制。

考虑到需要多次启动,确定使用高能电火花塞作为点火源。为了防止高温气体在燃烧过程中流回氧化剂管线,在氧化剂管线中安装止回阀。

1.2粉末燃料供应装置

到目前为止,已有多种形式的粉末燃料供应,其中活塞驱动夹带的流化气体的流动。由于粉末燃料的流速主要取决于活塞的运动速度,因此流化气体的流动状态对粉末燃料的流速几乎没有影响。氧化剂气体可用作流化气体,而不需要携带流化气瓶。基于这一原理,本文设计并加工了一种用于实验研究的粉末燃料供给装置。燃料供应装置主要包括粉末燃料及其储罐、活塞、驱动电机、混合段和粉末分离器等组件,粉末罐汇聚段有一个环形入口,可以夹带流化的粉末燃料加油站。它通过粉末分散器输送到燃烧室中。1.3测试引擎技术状态

考虑到镁粉在CO2气体中的良好点火和燃烧特性,在实验研究中,使用平均粒径为25μm的镁粉作为燃料。

测试系统的工作过程如下:首先,打开高能火花塞电源,然后启动粉末供应系统和氧化剂供应系统。通过流化将镁粉末流化到燃烧室中,并且氧化剂气体在燃烧室中混合并燃烧以释放热量。气体通过喷嘴高速排出以产生推力。当发动机需要调节推力时,它可以向控制系统发出信号,调节粉末燃料和氧化剂气体的质量流量,实现推力调节;当发动机需要关闭时,向控制系统发送关闭信号,以切断粉末燃料和氧化剂的供应通道。燃烧室停止燃烧,发动机关闭。

2测试结果和分析

2.1粉末供应系统测试

粉末供应系统的工作原理:电机驱动活塞,以一定的速度向前推动罐体内的粉末燃料;流化气体从混合段中的斜切孔引入,粉末燃料流化,气固两相流通过粉末分散器将该方法注入燃烧室,完成流化供应任务。粉末燃料。粉末供应系统的校准可以使用粉末质量流量计算公式计算:

米= KVA

粉末火箭发动机推力调节的试验研究

其中k是包装因子;是粉末密度; v是活塞移动速度; A是粉末罐的横截面积。

由于铝粉的性质与镁粉相比相对稳定,因此选择使用微米级铝粉的粉末供应的可行性研究。通过分析铝粉注射过程的记录过程获得粉末供应系统的粉末流动。使用设计的粉末供应系统进行了总共70多次粉末流化试验。

试验3中粉末供应过程的屏幕截图。通过分析视频图像,在粉末供应系统运行期间粉末供应相对稳定,并且没有大量粉末浓缩注入的现象,尤其是在粉末供应的开始和结束,粉末线控制开关快速打开,阻塞流化气体和粉末的供应更好地实现粉末供应系统的快速启动和关闭的目标。

2.2推力调整试验

高能火花塞用作点火源,以调节粉末燃料和氧化剂的质量流量,以实现发动机的推力调节功能。选择更典型的2个试验用于分析。试验1是发动机运转时的推力调整试验,试验2是多次点火启动的推力调整试验。在试验1中,在小推力条件下发动机运转9秒后,镁粉流增加,并启动第二氧化剂供应系统。在发动机继续工作19秒后,测试终止。在试验2中,在I-脉冲条件下发动机运转1秒后,关闭粉末供应系统和第一氧化剂供应系统;停机9秒后,开始供粉系统和双向氧化剂供应系统进行II脉冲点火试验。工作20秒后,测试结束。2.3测试结果和分析

试验1的压力 - 时间曲线从上面可以看出,在点火燃烧的初始阶段,点火压力峰值出现在燃烧室中,峰值压力达到2.1MPa,然后下降到1.2MPa。在发动机稳定7秒后,粉末燃料的流速增加,氧化剂流速增加。发动机在2.2MPa下稳定12秒。运行2的压力 - 时间曲线从上面可以看出,在I脉冲点火燃烧的初始阶段,燃烧室出现压力峰值,峰值达到1.65 MPa,然后下降到1.2 MPa,它在压力下稳定工作20秒;发动机关闭9秒后,II脉冲点火开始。压力峰再次出现在燃烧室中,峰值达到2.6MPa,然后下降到2.2MPa,压力稳定20秒。在发动机的第二次推力调节试验中,燃烧室内的压力出现不同程度的压力峰值。原因是高能火花塞的功率受到限制,并且CO 2气体中镁粉的点火温度相对较高。在发动机运行的初始阶段,一些镁粉保留在燃烧室中,当发动机开始点燃和燃烧时,发动机停留在燃烧室中。镁粉的瞬时燃烧释放出大量的热量,导致燃烧室压力迅速上升并出现压力峰值。

测试2热测试视频视频截图,视频视频结合压力曲线分析,在粉末火箭发动机推力调整过程中,除了点火初期点火延迟和爆燃现象外,发动机在其他工作状态下处于良好状态阶段,压力曲线基本稳定,无振荡燃烧或间歇燃烧。发动机的累计工作时间达到43s,脉冲间隔达到9s。

到目前为止,单发粉末火箭发动机在多次点火试验中已经发射了四次,两次点火之间的时间间隔达到72s,单次试验中最长工作时间为240s,推力调节比是6.5。 。根据工作原理,测试发动机的启动次数和停机次数不受限制,并且可以任意延长时间间隔,并且推力调节比可以达到15或更大。

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