Experimental study on the combustion characteristics of hybrid rocket motor using multiangle radiation imaging

以固体燃料和液体氧化剂为推进剂的固液火箭发动机具有结构简单、安全 环保、成本低廉、推力可调节及和可重复启动等优点，是当前火箭发动机领域 的研究热点。然而，由于固液火箭发动机的燃烧过程非常复杂，涉及燃料药柱 的受热热解、气化、氧燃掺混和燃烧等多个物理化学过程，是药柱内部封闭空 间的有限扩散燃烧，目前诸多燃烧诊断技术难以应用，导致其燃烧特性缺乏认 知，尤其缺乏动态工况下例如氧燃比、退移速率和内部流动等持续变化对于发 动机燃烧特性影响规律的理解，严重限制了固液火箭发动机的发展。因此，迫 切需要一种基础实验和测量方法，掌握发动机内部的火焰结构数据，开展固液 火箭发动机动态燃烧特性的研究。本文以精确刻画发动机动态火焰结构以及探 索火焰结构与燃烧特性关联性为目标，发展了一种基于多角度辐射成像的火焰 动力学分析方法，能够在不干扰流场、不借助外部光源激励的情况下，得到固 液火箭发动机燃烧室内部的火焰图像，提取火焰的主要脉动特征，对于深入固 液火箭发动机的动态燃烧特性具有重要意义。本文主要工作如下： 首先，提出了一种基于内窥式成像光纤的固液火箭发动机燃烧室火焰动力学 研究方法。针对真实的固液火箭发动机设计了多角度成像光路，以聚乙烯螺旋孔 药柱和圆孔药柱作为燃料，进行点火实验验证了多角度成像光路的可行性，并对 原始图像的火焰动力学特性进行了分析。使用了本征特征值分解方法（Proper orthogonal decomposition, POD）提取了火焰的主要脉动结构。最后结合发动机退 移速率和特征速度，对燃烧性能进行了评价。结果表明螺旋孔药柱的火焰脉动更 强、火焰区更宽，并产生了更强的湍流和火焰脉动特性。证明了螺旋孔药柱能够 有效地提高发动机燃烧室内的流动湍流度，增强对流换热，从而有效地提升药柱 的退移速率。 第二，扩展并应用了固液火箭发动机燃烧室火焰动力学研究方法，开展了旋 流/特征结构协同作用下复合式药柱火焰动力学特性实验研究。使用圆孔石蜡基 药柱、螺旋孔丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌套石蜡基燃料复合药柱，在氧气直流喷注 和旋流喷注的情况下，采集了燃烧室内的火焰图像，并对其火焰动力学特性展开 了分析。使用 POD 方法和动态特征值分解方法对火焰图像的主要脉动特性进行 了提取与分析，发现直流喷注下，复合式螺旋孔药柱相比圆孔药柱火焰区更广且 脉动性更强。旋流喷注火焰结构更加清晰，燃烧室内的火焰可以观察到明显的旋 转特性；且当氧化剂喷注方向和药柱螺旋结构方向相同（同向旋流）时，火焰主 要位于螺旋沟槽内部并更贴近药柱表面，当氧化剂喷注方向与药柱螺旋结构方向 相反（反向旋流）时，火焰主要位于燃烧室内并具有更强的湍流度。证实了复合式螺旋结构药柱主要通过增强湍流度加强对流换热从而提高退移速率；而旋流喷 注能够有效压缩火焰，使火焰更加靠近燃料表面，从而加强换热提高退移速率， 且同向旋流的压缩效果比反向旋流更强。</p

固液火箭发动机燃烧控制方法及变推力固液火箭发动机

本发明提供一种固液火箭发动机燃烧控制方法及变推力固液火箭发动机,固液火箭发动机采用通过螺旋叶片形成螺旋通道的螺旋嵌套式药柱；通过调控氧化剂的喷注方式,以使得氧化剂沿螺旋嵌套式药柱轴向直流喷注、与螺旋通道的螺旋方向相同的旋流方向同旋喷注,或与螺旋通道的螺旋方向相同的旋流方向反旋喷注,进而改变燃烧界面的退移速率。变推力固液火箭发动机中,氧化剂入口连通集成式喷注器,通过控制喷注通道进而控制氧化剂的喷注方式,实现推力调控。本发明中基于氧化剂的旋流方向对于螺旋嵌套式药柱退移速率的影响特性,实现了固液火箭发动机燃烧特性的有效调控,解决了固液火箭发动机的发动机推力调控结构复杂的问题

一种固液发动机燃烧机理的研究方法及系统

本发明提供了一种固液发动机燃烧机理的研究方法及系统，方法为基于安装在前燃烧室和后燃烧室的合束成像光纤，多角度采集燃烧室内的火焰化学发光成像，针对火焰图像，提炼燃烧室内燃场的火焰模态分布及动态信息，以分析内燃场的流动和燃烧特性。基于该方法提供了一种系统，在前燃烧室和后燃烧室上打孔以安装保护工装和光纤镜头，光纤镜头由合束光纤连接到高速相机，通过高速相机采集主燃烧室内燃场的火焰化学发光成像。本发明提供的方法及系统，能够在高温高压、真实发动机条件下对固液火箭发动机药柱内部封闭空间的扩散燃烧火焰可视化，进而分析其内燃场流动、燃烧特性，以解决现有技术中无法记录固液发动机燃烧室内的完整燃烧过程的问题