题目：N2O/C3H8发动机理论与实验研究

液体火箭发动机所使用的推进剂普遍具有高毒性、高腐蚀性和低温等缺点，随着载人航天技术的不断发展，寻找廉价的无毒、无污染、高能以及使用维护方便的推进剂，已成为航天领域液体推进技术发展的主要方向之一。选用氧化亚氮和丙烷（N2O/C3H8）作为火箭发动机的推进剂组合所具有的一系列显著的优点可以有效地满足新一代推进技术的要求。目前国际上对N2O/C3H8发动机的研究还处于试验验证阶段，对其性能特点还没有系统全面的认识。正是在这种背景下，本论文对N2O/C3H8发动机及其实验系统从以下六个方面进行深入地分析与研究。第一，对绿色N2O双组元推进剂组合的热力性能进行了全面的计算比较分析。在对绿色燃料：氢气（H2）、甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）的热力学性质和使用安全性能等方面进行比较的基础上，采用最小吉布斯自由能法对所组成的9种N2O双组元推进剂组合的热力性能进行了全面的计算和分析，总结出了各推进剂组合的特点。N2O/C3H8和N2O/C3H6组合拥有很好的空间应用物性和较高的热力性能，具有极大的应用前景。第二，设计搭建了N2O/C3H8发动机热试实验系统。实验系统主要包括N2O/C3H8点火器实验系统、N2O/C3H8发动机性能实验系统以及动态推力测量系统，该实验平台能满足500N~1500N液体姿轨控发动机的（动态）性能测试要求，并在实验中对N2O/C3H8点火器和发动机的推进剂供给压力、流量等进行灵活调节，同时对配气管路中各测点的温度压力以及发动机的工作温度压力和推力等进行实时高效的数据监测采集。第三，开展了N2O（气）/C3H8（液）火炬式点火器的设计与点火特性的实验研究。设计了多套点火器，通过大量的实验分析了不同工况下点火器预燃室的压力温度变化和点火现象，总结了不同工质流量和余氧系数对点火器点火特性的影响，确定了点火器的可靠点火工作余氧系数范围为0.301~0.402，预燃室的平衡压力为0.45~0.70MPa，通过缩小喷管喉径可以进一步提高到1.00~1.64MPa，为N2O/C3H8发动机的点火提供了保障。第四，对N2O/C3H8点火器的预燃室和火炬流场特性进行了数值仿真研究。分析了点火器在定混合比工况下工质流量对火炬性能的影响以及定流量工况下余氧系数对火炬性能的影响：在定混合比3.50工况下点火器燃烧室压强、火炬功率和点火有效长度与点火器的流量基本呈线性关系，有效火炬长度与实验中所观察到的基本一致；在定流量9g/s工况下点火器燃烧室压强、喷管出口温度、火炬功率和点火有效长度随余氧系数的不断增加均先迅速增加到最高值后开始逐渐减小，燃烧室压强、喷管出口温度、火炬功率和点火有效长度的计算最高值分别为1.73MPa、2823K、33.14kW和86.5mm。第五，设计了N2O（气）/C3H8（液）和N2O（液）/C3H8（液）发动机原理样机，并对发动机气液同轴离心式喷嘴的流场特性进行了数值模拟研究。发动机的真空设计推力为1000N，混合比为7，燃烧室平衡压强为2MPa，真空比冲为3007m/s。发动机喷注单元分别采用气-液同轴离心式喷嘴和液-液离心式喷嘴。冷却方式分别采用气膜和液膜边区冷却，扩张段为二次抛物线型的钟形喷管。采用流体体积函数（VOF）模型模拟了离心喷嘴内的气液两相旋流流场，得出喷嘴的出口速度、液膜半锥角、液膜厚度、流量等参数随喷注压降和喷嘴喷口长度的变化规律。采用拉格朗日离散相模型模拟了喷嘴喷雾流场的喷雾过程，得出喷雾液滴的索太尔平均直径、分布指数、气相流强、燃氧比、和流场速度等参数随N2O（气）喷注压降和内喷嘴缩进深度的变化规律。第六，对N2O（气）/C3H8（液）和N2O（液）/C3H8（液）发动机原理样机的性能开展了冷流和热流初步实验研究。N2O（气）/C3H8（液）发动机在1.38~6.81混合比范围内能快速被点火器点燃并进入稳定工作状态，实验中发动机燃烧室的平衡压强在0.257~0.514MPa范围内变化，最高平均推力达到140N。发动机的比冲随混合比的增加有明显的提高，从混合比为3左右的1300m/s提高到混合比为6.56时的1895.7m/s。实验发现，发动机在起动段出现了中频振荡（900~1000Hz），在平衡工作段出现了低频振荡（65~80Hz）。N2O（液）/C3H8（液）发动机在混合6.5~8.0范围内工作时获得了较高的性能，推力和比冲最高值分别达到了536N和2204.6m/s，并且比冲效率大多高于0.85，未出现不稳定燃烧现象。论文采用理论设计、性能实验与数值模拟相结合的方法对N2O/C3H8发动机的性能特点及其实验系统进行了深入地设计与研究：从最初的方案论证，到点火器、发动机及其实验系统各组成部分的设计研制及性能实验，最后到对关键流场的数值仿真模拟。全文从无到有、从局部到整体对N2O/C3H8发动机的设计研究实验过程进行了全面详尽地阐述并取得了诸多科研成果，这在建立一套液体火箭发动机实验平台的同时其设计研究方法也为今后类似发动机性能实验方案的制定提供了大量的技术参考，并为我国下一代新型绿色推进系统的研制提供重要的参考。