兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 2228-2239.doi: 10.12382/bgxb.2023.0546
张腾1, 牛青林1,*(), 柳云峰2, 高文强1, 董士奎3
收稿日期:
2023-05-31
上线日期:
2023-09-13
通讯作者:
基金资助:
ZHANG Teng1, NIU Qinglin1,*(), LIU Yunfeng2, GAO Wenqiang1, DONG Shikui3
Received:
2023-05-31
Online:
2023-09-13
摘要:
助推段火箭发动机尾喷焰具有显著的红外辐射特性,成为天基红外预警系统重点关注的对象。以三组元固体发动机为研究对象,建立连续流域和过渡流域的尾喷焰反应流场计算模型,采用两级助推段质心弹道法确定飞行弹道,通过反向寻优法完备发动机型谱参数,基于等效单喷管法简化流场计算,基于窄谱带法和视在光线法计算尾喷焰的红外辐射特性。研究结果表明:复燃效应使得尾喷焰红外辐射光谱强度升高约20倍,谱带积分强度升高约10倍;尾喷焰红外光谱存在2.7μm和4.3μm的特征峰值;低空流域的光谱强度较高,且不同谱带内积分强度随高度的升高呈现出波动规律和暗区现象;助推段尾喷焰辐射强度差值高达3个量级,尤其在4.3μm较为明显。所得成果可为火箭在助推段的探测和识别提供一定的理论参考。
中图分类号:
张腾, 牛青林, 柳云峰, 高文强, 董士奎. 助推段火箭发动机喷焰红外辐射特性数值计算[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2228-2239.
ZHANG Teng, NIU Qinglin, LIU Yunfeng, GAO Wenqiang, DONG Shikui. Numerical Calculation of Infrared Radiation Characteristics of Rocket Engine Exhaust Plume in Boost Phase[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(7): 2228-2239.
图1 超音速射流纹影试验与数值计算结果对比(上为实验纹影结果,下为CFD仿真结果)
Fig.1 Comparison of supersonic jet schlieren test and numerically calculated results(upper: test schlieren imaging result, and below: CFD simulated result)
一级或 二级 | 编号 | 推进剂 质量/ kg | 推进剂 配比 | 发动机 质量比 | 地面比冲/ (N·s·kg-1) | 真空比冲/ (N·s·kg-1) | 喷管 数量 | 喷管膨 胀比 | 最大 推力/ kN | 工作 时间/ s | 燃烧室 压力/ MPa | 喷口 直径/ m | 喉部 直径/ m |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
一级 | M55A-1 | 20800 | 70%AP 14%HTBN 16%Al | 0.915 | 2316 | 2626 | 4 | 10 | 912 | 61.6 | 4.923 | 0.5580 | 0.1968 |
二级 | SR19-AJ-1 | 6426 | 70%AP 14%CTPB 16%Al | 0.886 | 2471 | 2823 | 1 | 24.8 | 270 | 65.2 | 3.109 | 1.2195 | 0.2449 |
表1 一、二级火箭发动机性能参数[2]
Table 1 Performance parameters of 1st and 2nd stage engines[2]
一级或 二级 | 编号 | 推进剂 质量/ kg | 推进剂 配比 | 发动机 质量比 | 地面比冲/ (N·s·kg-1) | 真空比冲/ (N·s·kg-1) | 喷管 数量 | 喷管膨 胀比 | 最大 推力/ kN | 工作 时间/ s | 燃烧室 压力/ MPa | 喷口 直径/ m | 喉部 直径/ m |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
一级 | M55A-1 | 20800 | 70%AP 14%HTBN 16%Al | 0.915 | 2316 | 2626 | 4 | 10 | 912 | 61.6 | 4.923 | 0.5580 | 0.1968 |
二级 | SR19-AJ-1 | 6426 | 70%AP 14%CTPB 16%Al | 0.886 | 2471 | 2823 | 1 | 24.8 | 270 | 65.2 | 3.109 | 1.2195 | 0.2449 |
性能 参数 | T/K | p/MPa | Ma | CO2 摩尔分数 | CO摩尔 分数 YCO | H2摩尔 分数 | H2O摩尔 分数 | HCl摩尔 分数 YHCl | H摩尔 分数 YH | OH摩尔 分数 YOH | N2摩尔 分数 | Al2O3摩尔 分数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
一级 | 2119.87 | 0.07383 | 3.027 | 0.01833 | 0.21360 | 0.31744 | 0.13641 | 0.15112 | 0.00222 | 0.00013 | 0.08433 | 0.07560 |
二级 | 1807.70 | 0.01441 | 3.599 | 0.02046 | 0.24545 | 0.32193 | 0.10326 | 0.15415 | 0.00055 | 0.00001 | 0.07718 | 0.07681 |
表2 发动机喷口参数
Table 2 Parameters of nozzle exit plane
性能 参数 | T/K | p/MPa | Ma | CO2 摩尔分数 | CO摩尔 分数 YCO | H2摩尔 分数 | H2O摩尔 分数 | HCl摩尔 分数 YHCl | H摩尔 分数 YH | OH摩尔 分数 YOH | N2摩尔 分数 | Al2O3摩尔 分数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
一级 | 2119.87 | 0.07383 | 3.027 | 0.01833 | 0.21360 | 0.31744 | 0.13641 | 0.15112 | 0.00222 | 0.00013 | 0.08433 | 0.07560 |
二级 | 1807.70 | 0.01441 | 3.599 | 0.02046 | 0.24545 | 0.32193 | 0.10326 | 0.15415 | 0.00055 | 0.00001 | 0.07718 | 0.07681 |
T/s | H/km | v/(m·s-1) | T/K | p/Pa |
---|---|---|---|---|
34 | 10 | 690 | 223.252 | 26499.9 |
48 | 20 | 1150 | 216.65 | 5529.31 |
58 | 30 | 1590 | 226.509 | 1197.03 |
67 | 40 | 1795 | 250.35 | 287.144 |
77 | 50 | 2080 | 270.65 | 79.7791 |
85 | 60 | 2359 | 247.021 | 21.9587 |
93 | 70 | 2683 | 219.585 | 5.2209 |
99 | 80 | 2982 | 198.639 | 1.05247 |
106 | 90 | 3327 | 186.867 | 0.183593 |
112 | 100 | 3730 | 195.081 | 0.0320113 |
118 | 110 | 4120 | 240 | 0.00710407 |
123 | 120 | 4630 | 360 | 0.00253827 |
表3 典型弹道点对应的来流参数
Table 3 Flow parameters for representative ballistic points
T/s | H/km | v/(m·s-1) | T/K | p/Pa |
---|---|---|---|---|
34 | 10 | 690 | 223.252 | 26499.9 |
48 | 20 | 1150 | 216.65 | 5529.31 |
58 | 30 | 1590 | 226.509 | 1197.03 |
67 | 40 | 1795 | 250.35 | 287.144 |
77 | 50 | 2080 | 270.65 | 79.7791 |
85 | 60 | 2359 | 247.021 | 21.9587 |
93 | 70 | 2683 | 219.585 | 5.2209 |
99 | 80 | 2982 | 198.639 | 1.05247 |
106 | 90 | 3327 | 186.867 | 0.183593 |
112 | 100 | 3730 | 195.081 | 0.0320113 |
118 | 110 | 4120 | 240 | 0.00710407 |
123 | 120 | 4630 | 360 | 0.00253827 |
图12 典型高度下2.7μm(左)和4.3μm(右)波段的辐射强度分布云图
Fig.12 Intrinsic radiation intensity contours of plume in 2.7μm (left) and 4.3μm (right) bands at representative altitudes
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