计算机建模帮助工程师打造更加高效稳定的RDE火箭发动机

2020年02月25日 13:38 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

华盛顿大学的工程师们,正在研究一种新型的火箭发动机。长期以来,研究人员们一直在数学模型的开发上面临很大的困难。不过在计算机建模的帮助下,这种旋转爆震发动机(RDE)有望实现比常规液体燃料火箭更轻、更高效,制造上也更加容易。据悉,该模型可描述非常难以预测的发动机设计,以及如何让它工作起来更加稳定。

这台 RDE 实验机可控制包括气缸间隙在内的不同参数(来自:James Koch)

RDE 火箭发动机的基础,类似于二战期间臭名昭著的德国 V1 巡航导弹上的脉冲喷气发动机。

其包含了一个简单的燃烧室,一端带有排气管,正面则装有弹簧板条。运行时,空气可从板条处进入、与燃料混合、然后被引爆,以产生推力脉冲。

不过 RDE 的研发工程团队,希望在设计上更进一步。威斯康星大学航空与航天专业博士生 James Koch 称,旋转爆震发动机在燃烧的利用上采取了不同的控制方法。

其由同心圆柱体制成,推进剂在汽缸之间的间隙中流动,并在点火后迅速释放热量,以形成冲击波。这是一种强烈的气体脉冲,压力和温度都明显超过音速。

换言之,RDE 的燃烧过程,实际上是一种爆炸。但在度过了初始的启动阶段之后,即可利用更加稳定的燃烧脉冲形式。

随着推进剂的不断消耗、以及高压和高温的产生,RDE 可将废气排出燃烧室。发动机的高速运转,可提供强劲的推力。

棘手的是,爆炸冲击波的形成和维持很是不可预测。为更好地了解正在发生的事情,华盛顿团队构建了一套实验性的 RDE 装置。

该装置能够在一系列半秒实验期间执行不同的运行参数,然后通过 24 万 fps 的高速相机来拍摄记录。

Ignition, deflagration-to-detonation(via

基于这些数据,团队打造了一套数学模型,以确定发动机是否按照既定配置在稳定运行。即便如此,想要确定 RDE 的整体性能,仍有很长一段路要走。

Koch 表示,当前目标仅是重现已观察到的脉冲行为,以确保输出模型与实验结果相似(已经确定主要的物理学及其相互作用)。后续任务是将研究成果定量化,以研究如何打造更好的火箭发动机。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《物理评论 E 刊》(Physical Review E)上。原标题为:

《Mode-locked rotating detonation waves: Experiments and a model equation》

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