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关于粉末火箭发动机推力调节试验研究

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-10-29 编辑:处世

0简介

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CO2气体,因此人们提出了一种新的电力系统,该系统可直接从地球运送粉末燃料,并使用火星大气中的CO2作为氧化剂。科学家研究了各种粉末燃料与二氧化碳的燃烧反应。在考虑了发动机的特定脉冲,凝结损失,点火性能和燃烧特性之后,最终确定了以CO2为氧化剂的粉末火箭发动机的最佳燃料。粉末火箭发动机是一种新型的推进系统。它使用高能量密度的金属或非金属粉末作为燃料,并使用CO2或其他粉末作为氧化剂。它具有能量高,比密度高,推力可调,多次启动和安全性高的优点。它是火星探测和下一代战术导弹的理想动力。安装。在国外的粉末火箭发动机点火试验领域,CO 2主要用作氧化剂,镁粉作为燃料,点火燃烧性能是主要的研究目标。目前,最大压力为2.4MPa,工作时间为42.5秒,推力为53N。尽管粉末火箭发动机的推力调节技术原则上是可行的,但尚无相关研究报告。利用该特性,可以实现飞机的灵活控制,有利于飞机的弹道优化和能量管理。

本文对粉末火箭发动机的关键技术进行了可行性测试,如燃料供应,多次启动,稳定燃烧和推力调节等。

1个粉末火箭发动机测试系统

1.1测试系统

粉末火箭发动机试验系统主要由粉末燃料供给系统,试验发动机,点火系统,供气系统,视频监控系统,数据测控系统和试验台组成。氧化剂供应系统由两条独立的管道组成,分别由各自的电磁阀控制。

考虑到需要多次起动,确定采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回流到氧化剂管路中,在氧化剂管路中安装了止回阀。

1。2粉末燃料供给装置

到目前为止,粉末燃料的供给形式多种多样,其中活塞驱动气流,因为粉末燃料的流量主要取决于活塞的运动速度,流态化气体的流动状态对粉体燃料的流量影响不大,因此可以利用氧化剂气体作为流态化气体,而无需携带流态化气瓶。基于这一原理,本文设计加工了一种供实验研究用的粉末燃料供给装置。燃料供给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。它在粉罐的汇聚部分有一个环形入口,可以将粉燃料夹带到流态化气体中。它通过粉末分散器被送入燃烧室。

1。3测试发动机技术状态

考虑到镁粉在co2气体中具有良好的着火和燃烧特性,实验采用平均粒径为25μm的镁粉作为燃料。

测试系统的工作过程如下:首先接通高能火花塞电源,然后启动供粉系统和氧化剂系统。镁粉流化后进入燃烧室,氧化剂气体在燃烧室中混合燃烧放热。气体通过喷嘴高速排出,产生推力。当发动机需要调整推力时,可以向控制系统发送信号,调整粉末燃料和氧化剂气体的质量流量,实现推力调整;当发动机需要停机时,向控制系统发出停机信号,切断粉末燃料和氧化剂的供应通道。燃烧室停止燃烧,发动机关闭并关闭。

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:电动活塞以一定速度向前推动油箱中的粉末燃料;从混合部分的斜切孔引入流化气体,粉状燃料流化成气固两相流。该方法通过粉末分散器注入燃烧室以完成粉末状燃料的流化供应任务。粉末供应系统的校准可以使用粉末质量流量计算公式:

米=kρvA

其中k是包装系数; ρ是粉末密度; v是活塞的移动速度; A是粉罐的横截面积。

由于铝粉的性能与镁粉相比相对稳定,因此选择了使用微米级铝粉进行粉剂供应的可行性研究。通过分析铝粉注入过程的记录过程来获得粉末供应系统的粉末流量。使用设计的粉末供应系统进行了总共70多次粉末流化测试。

试验3中粉末供应过程的屏幕快照。通过分析视频图像,在粉末供应系统运行期间粉末的供应相对稳定,并且没有集中注入大量粉末的现象,尤其是在在粉末供应的开始和结束时,粉末管线控制开关迅速打开,并且阻塞流化气体和粉末的供应更好地达到了快速启动和关闭粉末供应系统的目的。

2. 2推力调整试验

高能火花塞用作点火源,调节粉状燃料和氧化剂的质量流量,以实现发动机的推力调节功能。选择了更典型的2个试验进行分析。测试1是发动机运行期间的推力调整测试,而测试2是多次点火启动的推力调整测试。在试验1中,在发动机在低推力条件下运转9秒钟后,镁粉的流量增加,并且启动了第二氧化剂供应系统。发动机继续工作19秒后,测试终止。在测试2中,在I脉冲条件下发动机运转1秒钟后,关闭了粉末供应系统和第一个氧化剂供应系统;停机9秒钟后,启动粉末供应系统和两个氧化剂供应系统以进行II脉冲点火测试。发动机运转20秒后,测试终止。

2. 3测试结果与分析

测试1的压力-时间曲线。可以看出,发动机在点火燃烧的初始阶段具有点火峰值,峰值压力达到2.1MPa,然后下降至1.2MPa。发动机稳定7秒钟后,粉状燃料的流量增加。同时,氧化剂流量增加,发动机稳定运转19 s,持续19 s。试验2的压力-时间曲线。由上可知,在I脉冲点火的初期,燃烧室内出现压力峰值,峰值达到1.65MPa,然后下降至1.2MPa,在此压力下稳定工作20 s;发动机关闭9秒钟。在开始第二次脉冲点火后,燃烧室中再次出现压力峰值,该峰值达到2. 6 MPa,然后降至2.2 MPa,并在压力下稳定工作20 s。在发动机的第二次推力调节测试中,燃烧室内的压力出现了不同的压力峰值。原因是高能火花塞的功率受到限制,CO 2气体中镁粉的着火温度较高。在发动机运转的初始阶段,一些镁粉保留在燃烧室内,并且当发动机开始点火和燃烧时,发动机停留在燃烧室内。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通过结合压力曲线的视频分析来分析热试车视频的视频记录。在粉末火箭发动机的推力调节过程中,除了点火延迟和点火初期的爆燃现象外,发动机在其他工作阶段均处于良好状态,压力曲线良好。它基本上是平滑的,没有振荡燃烧或间歇燃烧。发动机的累计工作时间为43 s,脉冲间隔为9 s。

到目前为止,单发粉末火箭发动机多次点火测试的启动时间已达到四次,两次点火之间的时间间隔最长为72秒,单发测试的最长工作时间为240秒,并且推力调节比高达6.5。从工作原理上看,试验机的启动和关闭次数没有限制,时间间隔可以任意延长,推力调节比可以达到15以上。

3结论

(1)采用高能火花塞作为点火源,成功实现了粉末火箭发动机的多次点火启动和粉末燃料的自持和稳定燃烧,燃烧效率超过80%。

(2)通过合理调节粉状燃料和氧化剂的质量流量,成功实现了粉状火箭发动机的推力调节功能,推力调节比达到6.5。

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