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液体姿控发动机76 km高空模拟试验系统性能仿真

卫强 梁国柱

卫强, 梁国柱. 液体姿控发动机76 km高空模拟试验系统性能仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(9): 1779-1788. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0754
引用本文: 卫强, 梁国柱. 液体姿控发动机76 km高空模拟试验系统性能仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(9): 1779-1788. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0754
WEI Qiang, LIANG Guozhu. Performance simulation of a 76 km simulated high-altitude test system for liquid attitude-control engines[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(9): 1779-1788. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0754(in Chinese)
Citation: WEI Qiang, LIANG Guozhu. Performance simulation of a 76 km simulated high-altitude test system for liquid attitude-control engines[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(9): 1779-1788. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0754(in Chinese)

液体姿控发动机76 km高空模拟试验系统性能仿真

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0754
详细信息
    作者简介:

    卫强   男, 博士研究生; 主要研究方向:液体火箭发动机设计、仿真与试验

    梁国柱   男, 博士, 教授, 博士生导师; 主要研究方向:固体及液体火箭发动机设计、仿真与试验

    通讯作者:

    梁国柱, E-mail:lgz@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V433.9

Performance simulation of a 76 km simulated high-altitude test system for liquid attitude-control engines

More Information
  • 摘要:

    为研究液体姿控发动机76 km高空模拟试验系统的工作性能,建立了考虑燃气相变的试验系统集中参数动态仿真模型。模型由真空抽气系统、冷凝管束和液氮外流程3个子模型组成。根据燃气、霜、液氮之间的传热和传质过程将各子模型耦合在一起。以四氧化二氮/甲基肼双组元姿控发动机为实例,计算了稳态和脉冲点火试验时系统的工作参数,分析了关键设计参数对其工作性能的影响。结果表明:试验系统能够为最大流量6.4 g/s(推力约16.5 N)的发动机提供脉冲和6×104 s长程稳态试验环境;在长程稳态试验中,冷凝管束霜层将依次饱和,失去对二氧化碳和水蒸汽的抽吸能力,导致真空舱压力逐渐升高;在脉冲点火试验中,真空舱压力将随发动机工作而脉冲波动,15 ms开关脉冲时的压力波动幅度约70%。研究结果为液体姿控发动机高空模拟试验系统的设计与改进提供了参考。

     

  • 图 1  真空抽气系统

    Figure 1.  Vacuum pumping system

    图 2  液氮外流程

    Figure 2.  Liquid nitrogen flow

    图 3  系统仿真模型

    Figure 3.  System simulation model

    图 4  冷凝管束模型

    Figure 4.  Condensing pipes model

    图 5  数值算法流程

    Figure 5.  Flow of numerical algorithm

    图 6  长程稳态试车工作曲线

    Figure 6.  Working curves during long-term steady test

    图 7  真空舱内沿轴向参数分布

    Figure 7.  Axial parameter distribution in vacuum tank

    图 8  冷凝管霜层质量和热载荷分布

    Figure 8.  Frost mass and head load distribution of condensing pipes

    图 9  肋片参数与真空舱工作压力的关系

    Figure 9.  Relationship between fin parameters and vacuum tank working pressure

    图 10  冷凝管管数和排数与工作参数的关系

    Figure 10.  Relationship between number and rows of condensing pipes and working parameters

    图 11  不同推力发动机时的试验系统工作性能

    Figure 11.  Test system working performance under engines with different thrust

    图 12  脉冲工况下真空舱压力曲线

    Figure 12.  Vacuum tank pressure curves during pulse ignition test

    图 13  结构参数与压力波动的关系

    Figure 13.  Relationship between structural parameter and pressure fluctuation

    表  1  试验系统主要设计参数

    Table  1.   Main design parameters of test system

    参数 数值
    真空舱直径/m 3
    真空舱长度/m 10
    机械泵抽速/(m3·s-1) 150
    液氮流量/(L·s-1) 15
    圆管排数 2
    肋片管排数 3
    每排管数 35
    肋片宽度/cm 15
    肋片厚度/mm 5
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    表  2  发动机及喷管出口燃气主要参数

    Table  2.   Main parameters of engine andexhaust at nozzle outlet

    参数 数值
    总流量/(g·s-1) 5.8
    真空推力/N 15
    真空比冲/(m·s-1) 2 587.5
    绝热燃烧温度/K 3 053
    氮气质量分数/% 42
    水蒸汽质量分数/% 26
    二氧化碳质量分数/% 19
    一氧化碳质量分数/% 11
    氢气质量分数/% 2
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-21
  • 录用日期:  2016-10-14
  • 刊出日期:  2017-09-20

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