考虑复燃条件下垂直往返火箭底部热环境研究

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随着航天发射任务的增加以及航天市场竞争的加剧,研制可重复利用火箭成为各航天大国的迫切选择。目前,美国已对垂直返回的火箭进行了多次试验,并且已成功实现了火箭的陆上垂直着陆以及海上垂直着陆,在火箭重复利用方面取得了较大的突破。而随着我国航天发射任务的增多,我国对拥有自主的可重复利用的运载火箭的需求也将更为迫切,但从已公开发表的文章里未见到我国可重复利用运载火箭的试验或数值计算相关内容,在此情形下,本文针对某新型液体火箭进行了全程飞行底部热环境的数值计算。本文在已有的理论基础上,利用CFD方法结合HITRAN数据库以及正反光线踪迹法针对所研究的某新型液体火箭的上升过程和返回过程的各阶段建立了相应的流场、复燃、热辐射计算模型。在国内率先开展一级火箭全程飞行尤其是火箭返回过程各个阶段的底部热环境的数值计算,并对采用的流场计算模型以及辐射模型分别进行了模型正确性的验证。随后又针对火箭返回过程的二次点火阶段发动机反向喷流对箭体底部冲刷严重的现象,在国内率先考虑复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响,并通过本文计算的光谱辐射特性与文献实验数据的比较,表明了本文计算模型和算法可信。结果分析表明,在火箭上升阶段,火箭底部热环境中的最大对流热流密度为18.57kw/m~2,最大辐射热流密度为42.101kw/m~2。在火箭返回阶段,火箭底部热环境中的最大对流热流密度为411.589kw/m~2,最大辐射热流密度为49.749kw/m~2,其中着陆支腿上的最大对流热流密度为105.712kw/m~2,最大辐射热流密度为39.149kw/m~2。通过对返回过程各工况下的流场云图和各测点的热流环境的分析,发现火箭在22.262km-33.04km高度时反喷气流直接冲刷箭体,对箭体的影响最为剧烈,故对此段高度考虑复燃反应的影响,发现29.009km高度下复燃反应最为剧烈,复燃反应对包括箭体底面、侧壁面及着陆支腿的对流和辐射热流密度均有较大增幅,最高可达80%以上。此外,火箭返回时,复燃对对流热流密度的影响远大于热辐射,这一点与文献中计算上升段复燃的影响趋势不同。本文模型、代码和结果可适用于可重复液体火箭底部的差异精细化热设计。
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