● 摘要
本文以固体火箭发动机气体二次喷射推力矢量控制技术为研究方向，根据喷管内流场的流动特点，对气体二次喷射推力矢量喷管进行了数值模拟和试验研究，在对其工作原理进行深入分析的基础上，对其影响参数进行了优化分析，为固体火箭发动机气体二次喷射推力矢量控制系统的设计和工程应用提供了理论和技术基础。本文根据气体二次喷射推力矢量喷管的流动特点编写了三维稳态和非稳态数值仿真程序，并根据系统工作特点进行了地面冷态试验，测量了推力矢量喷管在工作时的壁面静压分布。通过数值与试验结果的对比，结果吻合良好，验证了数值程序的准确性，为进一步的数值仿真研究奠定了基础。利用自编程序对气体二次喷射推力矢量喷管内流场进行了三维数值模拟，对流场结构进行可视化显示，分析了矢量喷管内流场的波系结构和流动现象。结果表明，流场内存在弓形激波、分离激波、涡流结构和边界层分离区域。在喷射口非对称布置，无二次气体喷射情况下，喷射口的存在对流场结构的对称性产生一定影响，喷管产生微小的矢量偏角。利用三维数值模拟方法研究了各参数，包括结构参数、状态参数和飞行参数，对气体二次推力矢量喷管性能如推力矢量角、推力系数等参数的影响规律，为系统结构优化，提高喷管的推力矢量性能提供了理论基础。对从主燃烧室引气的气体二次喷射推力矢量控制系统启动和关闭的瞬态过程进行三维非定常数值模拟，研究系统在启动和关闭过程中流场结构和喷管内弹道参数随时间的变化过程。结果表明：侧向控制力在系统启动和关闭过程中的动态响应时间均为0.5ms；流场结构和内弹道参数建立新的稳定状态所需时间远大于侧向力响应时间，启动过程耗时3.5ms，关闭过程耗时5ms。系统关闭后建立的新稳定状态下的内弹道参数值略小于系统开启前，且呈现周期性、小振幅的波动，对飞行稳定性产生一定的影响。利用Euler-Lagrange方法对固体火箭发动机气体二次喷射推力矢量喷管气-固两相内流场进行了三维数值模拟，研究固体颗粒在气体二次喷射推力矢量喷管内的流动规律，以及对喷管推力矢量性能的影响，并对固体颗粒对喷管壁面的碰撞摩擦损失情况进行了定性分析。结果表明：固体颗粒粒径越小、质量流量越大对气相流场的阻碍程度越大，喷管推力矢量性能越差。在高温燃气引气管路、注气前室、喷管收缩段靠近喷管引气口一侧壁面及喷射口下游喷管壁面，颗粒与壁面的碰撞频率很高，摩擦腐蚀较为严重，在设计过程中需注意这些区域热防护系统的保护。