一氧化二氮单组元发动机系统方案设计及仿真研究

论文摘要

本文进行了小推力(10N)的一氧化二氮单组元发动机落压式系统方案的设计。设计内容包括推力室热力计算,贮箱、管路、过滤器、催化室、喷注器、喷管的参数设计以及阀门的初步选型。而后,对系统中的主要部件及关键流路开展了仿真研究。其中,对N2O贮箱工作过程的仿真定量地说明了N2O自增压特性较其它传统推进剂在供应能力方面的优势,研究了贮箱初始温度、初始充填率、贮箱尺寸、有无氦气辅助增压和推进剂供应相态对其自增压特性的影响,并在对贮箱热控方案进行优选的基础上,分析了可使落压式系统的N2O贮箱实现恒压式供应效果的加热功率值。其次,针对N2O饱和蒸汽压高且热敏感性大的特点,对液态N2O在系统关键部位——推力室头部的流动进行了数值模拟,得到了推力室头部各部件的温度变化规律和头部供应管内一氧化二氮的二维流场,分析了N2O两相流动对喷前压强和流量的影响,并提出了削弱或消除这类影响的措施。再次,基于催化室内流体和催化床热不平衡假设,对催化室内流场进行了数值模拟,分析了催化室隔热与否、催化室入口流量对其内流场的影响,进行了催化床最佳床长的讨论。最后,基于一个简单的发动机系统质量模型,针对单组元发动机喷管的膨胀比进行了优化设计及喷管性能计算分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和研究意义
• 1.1.1 一氧化二氮简介
• 1.1.2 一氧化二氮单组元发动机
• 1.1.3 国内外研究现状
• 1.1.4 研究意义
• 1.2 研究内容、方法和目的
• 第二章 一氧化二氮单组元发动机系统方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 燃烧室压强选取
• 2.3 推力室热力计算
• 2.3.1 理论模型
• 2.3.2 主要计算步骤
• 2.3.3 热力计算结果
• 2.4 推力器设计
• 2.4.1 电磁阀的初步选型
• 2.4.2 催化室设计
• 2.4.3 喷注器设计
• 2.4.4 喷管设计
• 2.5 部件结构设计及参数计算
• 2.5.1 管路设计
• 2.5.2 阀门设计
• 2.5.3 过滤器设计
• 2.5.4 贮箱设计
• 2.6 小结
• 第三章 一氧化二氮贮箱自增压特性仿真
• 3.1 引言
• 3.2 一氧化二氮贮箱自增压模型
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 物理模型
• 3.2.3 数学模型
• 3.3 模型验证
• 3.4 贮箱自增压特性及其影响因素分析
• 3.4.1 系统落压特性分析
• 3.4.2 初始温度的影响
• 3.4.3 初始充填率的影响
• 3.4.4 贮箱尺寸的影响
• 3.4.5 有无氦气辅助增压的差异
• 3.4.6 推进剂供应相态的影响
• 3.5 小结
• 2O喷前流动数值模拟'>第四章 液态N₂O喷前流动数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 推力室头部几何模型
• 4.3 计算模型与方法
• 4.3.1 推力室头部各部件传热计算模型
• 2O流场的计算模型'>4.3.2 头部供应管内N₂O流场的计算模型
• 4.3.3 计算方法
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 推力室头部各部件的温度变化规律
• 2O流场计算结果分析'>4.4.2 供应管内N₂O流场计算结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 一氧化二氮单组元推力室流场数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 催化室流场计算模型
• 5.2.1 流场控制方程
• 5.2.2 催化反应机理
• 5.3 催化室流场模型验证
• 5.4 催化室流场影响因素分析
• 5.4.1 催化室隔热与否的差异
• 5.4.2 入口流量的影响
• 5.4.3 关于最佳床长的讨论
• 5.5 基于发动机系统质量优化的喷管膨胀比设计
• 5.5.1 概述
• 5.5.2 设计计算方法和步骤
• 5.5.3 优化设计结果
• 5.5.4 喷管性能分析
• 5.6 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果