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2011
11-08

利用软件设计液体燃料火箭发动机

经过一段时间对文献的研究,我们整理出一些列公式,然后根据公式利用VB编写了一个小程序,该程序适用于液体发动机的理论设计。再次感谢拔刀斋版主提供的Guipep热力学计算权威软件。

下面请跟着我一步一步来通过软件计算设计一个液体发动机要件的基本尺寸结构。
STEP1——设计要求:设计一个以90%质量浓度的过氧化氢为氧化剂,甲醇+乙醇胺+氯化铜(可溶性催化剂)为燃料的液体发动机。发动机燃烧室压力2MPa,设计推力20Kg(约200N)。根据氧平衡和点火性能,得出燃料比例为75:12:12:1(本文不作详细说明)。
STEP2——下载以下两个软件(Guipep以及液机尺寸设计均为绿色免安装软件,前者对visita系统兼容不好)
GUIPEP.rar (295 K)

液机尺寸设计.rar (6 K)
注:由于本站的下载功能尚未完成,下载需注册科创论坛,诚致歉意。
STEP3——找到Guipep.exe文件,双击运行之(该软件的dos计算内核为NASA开发,计算结果可信度较高,尤其适用于燃烧产物固相含量很少的液体发动机),出现该界面,如下图。


STEP4——在Desciption下选择各种原料对应的英文名称,并在右边的Weight内输入质量,单位g,质量设置为0表示取消该原料选择。在右边Title框中输入这种燃料的命名(自定),在Operating Conditions栏目下输入燃料常温(单位K)、燃烧室设计压强(单位PSI)、当地大气压强(单位PSI)。我处气温20℃(293K)、燃烧室压强2MPa(2×145=290PSI)、当地大气压为0.85atm(0.85×14.7PSI=12.5PSI),设置好的参数如下图。


STEP5——在工具栏中找到Run—>Singel Run单击之或者按下组合键Ctrl+R,此时弹出如下dos视窗。


STEP6——在dos视窗中按回车键执行,打印出一个文本文档,里面的内容即是计算结果。如下图


STEP7——找到“******CHAMBER RESULTS FOLLOW    ******”下的燃烧室计算结果,以及“****PERFORMANCE: FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE****”下的冻结流数据。如下图

这里,我们只对以下四个计算结果感兴趣。分别是:

燃烧温度T(K)=2401K;

产物气体比热比γ CP/CV=1.1952;

产物气体的平均分子量THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE=20.413;

以及冻结流理论比冲IMPULSE=222.6。

根据需要将这四个结果记录下来。
STEP8——找到“液机尺寸设计.exe”文件并运行之,弹出如下界面。(该软件系自行编写,没时间去修正bug,例如除数为0错误等,各位海涵)


STEP9——根据设计任务的要求,将各项数据输入到对应的框中。
这里的氧燃比定义为氧化剂总质量比上燃料总质量;
特征长度定于为燃烧室容积除以喉口面积,表征了燃料在燃烧室内驻留的时间也既是燃烧完全程度,一般根据反应物活性取值1.5-6;
径收敛比定义为燃烧室直径与喉口直径的比值,表征了燃烧室喷注面积的大小,一般取3-7。
填好后,点击“计算”按钮进行计算,得到的结果如下图。


根据计算结果:
1.可以根据氧化剂流量和供液压力确定需要的氧化剂喷嘴型号和数目
2.可以根据燃料流量和供液压力确定需要的燃料喷嘴型号和数目
3.可以根据喷管排气速度判定是否为超音速发动机,以及火箭是否能够超音速飞行
4.可以根据喉口直径和出口直径设计拉瓦尔喷管扩张段尺寸
5.可以根据扩张比和喉口直径,来计算不同扩张角下的出口直径
6.可以直接根据燃烧室内径和长度设计发动机内壁尺寸

适当说明一下:

关于特征长度,取决于采用的喷注结构、燃料的汽化热和反应的活性。例如气态氧和汽油,可以低于1.5m,而过氧化氢多一个分解的过程,故取值较高。

关于径收敛比,取决于喷注面大小,也就是喷注流达到完全混合时所需要的最小面积,喷嘴雾化角越大,收敛比越大。
关于拉瓦尔喷管,较优性能和加工便捷度的设计为收敛段半角60°,喉口长度等于0.7倍喉口直径,扩张半角15°,三个部分均为圆弧过渡,不允许留有台阶或较深的刀纹。
关于金属壁厚与耐压的设计,参见此贴http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-31380.html

至此,一个液体发动机的燃烧室关键尺寸就计算出来了,可以根据这个数据设计图样进行加工。关于喷注器、材料、冷却系统、加工等具体说明,请参见本人译著《液体火箭发动机设计与制作》,链接http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-37433.html

原著:ehco魏

作者:科创航天
这个作者貌似有点懒,什么都没有留下。

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