题目：固液火箭发动机高效喷注方式研究

由于固液火箭发动机所具有的诸如安全性、简便性、可靠性、推力可调性、多次启动/关机特性和低成本的优点使其成为一种非常有发展潜力的化学火箭形式。此外，与固体火箭发动机相比，固液火箭发动机可以达到基本相当的性能的同时实现推力可调。与液体火箭发动机相比，固液火箭发动机的复杂程度相对较低。然而，由于固液火箭发动机较低的固体燃料燃速使得固液火箭发动机的工程应用较少。典型固液火箭发动机在湍流火焰边界层内的扩散燃烧过程使得燃速高度依赖于燃烧室内的流动过程是造成低燃速的主要原因。基于此，本文提出旨在提高燃速的一种新型氧化剂喷注方式。
本文从结构设计、数值仿真和试验验证三方面研究了一种被称为双氧化剂通道结构的固液火箭发动机，这种结构可以提高固液火箭发动机的燃速和整体性能。发动机固体药柱是两个同轴的圆孔形药柱，外药柱通过发动机壳体支撑，内药柱通过插入内部的一个不锈钢管支撑。内部不锈钢管是氧化剂的主要供给通道，位于燃烧室内。氧气通过其上开的小孔与内部药柱壁面上的小孔进入燃烧室，燃烧发生在内孔药柱与外空药柱之间的空间内。
为了研究这种双氧化剂通道结构的性能，本文进行了一系列的三维数值仿真计算。推进剂组合为气氧/端羟基聚丁二烯(HTPB)或者气氧/高密度聚乙烯(HDPE)。仿真模型包括N-S方程，k-ε 湍流模型，涡耗散模型和固体燃料热解模型。改变结构参数进行了燃速、燃烧效率和整体性能的对比分析。随后为了检验仿真结果的正确性，设计了一种药柱外径100mm的实验发动机进行试验验证。燃料为同轴双圆孔高密度聚乙烯(HDPE),分别进行氧气头部喷注和氧气内部通道喷注对比试验。
试验结果表明新提出的双通道氧化剂喷注方式相较于传统的头部直流喷注方式燃料燃速提高近1倍。通过内孔药柱表面的氧化剂喷注孔喷注到燃烧室内的氧化剂流提高了燃烧室内氧化剂和燃料的掺混程度是这种喷注方式可以获得更好性能的原因。基于双氧化剂通道结构特点，药柱上的燃速分布不均匀，外药柱内壁面出现凹坑。总的来说，双氧化剂通道结构的是一种非常有前景的提高固液火箭发动机性能的方式。