火箭发动机专业综合实验(2.2.3)--典型实例——火箭发动机通用喷管实验系统习题答案

1.什么是气蚀文氏管？

文氏管是先收敛后扩散的管子，在其中流动的是液体，一般液体流动是在喉部不产生汽蚀。若在工作时喉部截面以后产生稳定的汽蚀区，则称为汽蚀文氏管。所谓汽蚀就是在液体流动时，当其压力低于液体当地温度下的饱和蒸汽压时液体汽化出大量气泡的现象，此时为汽液混合流动。

2.塞式喷管的构成、主要结构参数的定义。

目前的塞式喷管一般是由内喷管（也称为主喷管或侧喷管）、塞锥和底部三部分组成的。不论塞式喷管的类型如何，都可以将燃气流的膨胀过程分为内膨胀和外膨胀两部分。内膨胀

3.塞式喷管自动高度补偿的机理

由于塞锥独特的结构特点，使得塞式喷管具有高度补偿能力。主流在塞锥上的流动外边界是一个自由压力边界，它受外界反压影响较大。在工作压比等于或大于设计压比时，塞锥上的流动仍然是膨胀流动，膨胀程度由内喷管出口点发出的扇形膨胀波簇来决定，在理想塞锥型面条件下，膨胀波簇传播到塞锥壁面时会被消去而不发生反射，如图1.5(a)。此类工况下的塞式喷管推力特性与钟形喷管是相同的。

在低于设计压力比的工况下，燃气流在没有达到塞锥终点时就已经膨胀到环境压强，

在随后的流动中，由于塞锥壁面的偏转以及外界反压的作用使得流动过程受到压缩，产生的压缩波到达自由压力边界后会发生发射，成为膨胀波，这时的塞锥型面又会将膨胀波重新反射到自由压力边界，于是波系在塞锥壁面和自由压力边界之间不断反射，导致塞锥上间隔着这种膨胀－压缩－膨胀的过程，使得塞锥壁面压强出现近似的周期振荡变化，因而使得推力增加，达到了性能补偿的效果，如图1.5(b)和(c)

(a) 设计条件下的塞锥流场 (b)

不同工况下的塞式喷管工作状况

塞锥被截短后，在底部会产生一个被超音速燃气流包围的亚音速回流区，为了提高底部压强，将少量的二次流引入底部，与塞锥上喷出的燃气相互作用，形成一个气动锥，因此截短型塞式喷管常常被称为气动塞式喷管。由于塞锥被截短，会使得补偿能力有所降低，另外底部的复杂流动性质也会影响到塞式喷管性能。图1.6简要的描绘了塞式喷管的主要流场结构。

塞式喷管的流场结构示意图

4.塞式喷管的主要优缺点

塞式喷管的主要优缺点

1)塞式喷管拥有出色的连续高度补偿能力

2)结构紧凑，不仅喷管本身长度很短，而且喷管中心部位可用于布置发动机的涡轮

泵和其它系统部件，缩短了弹体的长度，如图1.1所示。

3)可以在相对较低的燃烧室工作压力下，达到很大的总面积比。

4)有利于用简单可靠的燃气发生器循环形成最佳组合，涡轮泵废气可以从塞锥底部

排出，形成气锥提高性能，最好地利用这部分能量。

5)线性直排方式特别适合升力体飞行器的扁平尾部结构，不仅载荷分布均匀，而且

可以减少升力体飞行的底部阻力。

6)环形结构可适应于圆形火箭外形，摆动范围小，可以在较细的发射筒内发射。

另外采用多单元的塞式喷管结构形式，还能带来如下好处：

7)多单元方式可以采用小的推力室，从而降低了强度的要求，也不易产生燃烧不稳

定，尤其是流量调节范围很大时。

8)多推力室单元便于流水线生产，易于控制质量，个别单元工作时出现故障，其它

单元仍可执行任务，可靠性增加。

9)利用差分流量调节技术，可以实现无摆动推力矢量控制

10)在推力室大小不变的情况下，可以通过增减数量组合成各种大小规模的发动机，

且发动机的结构灵活性较大。推力室的研制成本相对较低。

塞式喷管也具有其固有的缺点有待克服，主要有：

1)结构相对复杂，优化设计和多单元点火都更加困难。

2)推力室不能过小，否则会降低燃烧效率，所以不适合特别小的发动机。

3)研制阶段费用较高，需采用的新技术多，难度和风险更高。

相同条件下，塞式喷管和钟型喷管的结构外形尺寸比较图

5.多单元塞式喷管的主要结构类型

就目前主要研究和应用的塞式喷管而言，可分为全长型塞式喷管和截短型塞式喷管两大类。全长型塞式喷管由内喷管和塞锥组成，如果将塞锥截短就是截短型塞式喷管，截短后会使得结构长度和重量大大减少，但是会因此而产生一个底部区域。塞式喷管的结构复杂，类型众多，大致可以归纳如下：

按照喉部结构特点而言，塞式喷管可以分为整体缝隙式和单元集簇式两种。整体缝隙式塞式喷管具有单一的喉部，如图1.4(e)，单元集簇式则是拥有多个推力室单元，每个单元

拥有独立的燃烧室、喉部和内喷管，如图1.4中的其它类型塞式喷管都是单元集簇式。

塞式喷管按其外形结构可以分为圆形环排式塞式喷管、线性直排式塞式喷管以及环直式塞式喷管，如图1.4中的（a）、（b）、（c）。对于圆形环排式塞式喷管， 如果具有整体缝隙式喉部，就称之为环喉式塞式喷管，如果是具有多个内喷管单元，就称之为环形集簇式塞式喷管（简称为环簇式塞式喷管）。

对于多单元塞式喷管而言，内喷管可以沿用轴对称传统喷管，也可以采用具有矩形喉部的二维喷管，还可以应用具有圆形喉部方形（或矩形）出口的圆转方喷管，如图1.4(f)。

就塞锥结构特点而言，有二维平板型塞锥，也有类似于“瓦槽”形状的瓦状塞锥。就塞锥型面特点而言，有直线形塞锥，还有特型面塞锥（曲线塞锥或曲面塞锥）。如果采用直线形的瓦状塞锥，其塞锥面是一个圆柱内表面，也称为柱面塞锥。

(a) 圆形环排式 (柱面塞锥) (b) 线性直排式 (柱面塞锥) (c) 环直式 (曲面瓦状塞锥)

(d) 环簇式塞式喷管 (e) 环形喉部塞式喷管 (f) 圆转方内喷管

图塞式喷管的结构类型