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申请人信息
申请人ID：琉璃冬
真实姓名：黄彧
申请方式：个人
自我介绍：本人就读于俄罗斯莫斯科国立鲍曼技术大学特种机械制造系的一名大二学生，专业是运载火箭和航天器设计。现进行探空火箭和常温低温液体火箭发动机的研制和学习中
申请人照片：
申请人曾经发表的技术文章：
项目信息
离心式喷注器设计试制及采用该喷注器的微型液氧煤油发动机的设计与试验
摘要
此项目为之前的《离心式喷嘴的CFD仿真》的子项目。
此项目为之前的《离心式喷嘴的CFD仿真》的子项目。为2000N液氧——煤油发动机研发项目中的第二项。笔者由于在外上学，经常见到苏联的发动机内部常常采用离心式喷嘴的设计布局，如下图：
这是一台萨姆—2防空导弹的二级发动机早期型，外面的冷却加套采用压坑焊接。推进剂组元为硝酸——煤油，工作时间22s，推力26500N。可以发现这台发动机的头部结构异常的简单，全体单元采用钎焊的链接方式，燃料集液腔的受力由氧化剂喷嘴承受并分担到外壳。此外个人认为这种大小的发动机，未来爱好者是有能力办得到的。借此萌发了——首先尝试将此喷注器利用在爱好者中，初步探索其性能的想法。（简单来说，如果光是仿制这台发动机，足以让爱好者进行低轨道的探索行为。但是我们不能削足适履，要吃透其设计和性能，拿来做我们想要的东西，这次是最重要的）
首先，在这里再次讲解一下离心式喷注器的工作原理。
离心式喷注器的原理和理论，由上世纪四十年代苏联中央流体动力研究所的研究员——阿勃拉莫维奇提出，并在苏联的各液体火箭发动机上广泛应用。其原理是借助离心力的作用，将流体雾化。该喷嘴可分为两类：
1.切向孔式 2.旋流器式。
此处介绍切向孔式离心式雾化喷嘴。
图片来自百度图片
工作原理：液体经过喷注单元的切向孔进入旋流室后，会沿着壁面旋转，在此期间液体会因为离心力的作用，使其形成紧贴壁面旋转的液膜；在到达喷嘴的时候，由于惯性的作用，液膜会继续做圆周运动，然后从喷口喷出，在喷嘴前形成空心的伞状液膜，之后，液膜会因为自生的表面张力和重力等因素下破裂，过程如下：因为液体存在粘度，所以附会附着，并生成液带。之后液带破裂形成液滴，此时，也就是推进剂的液滴会吸收燃烧室的热量而汽化，然后会以气相混合并燃烧。
离心式喷嘴能够保证在推进剂大质量流量工况下的雾化质量，从而在中等和大推力液体火箭发动机中广泛运用；此外，还能够简化发动机头部结构的设计，在保证优异雾化质量的同时，并减小了发动机头部的直径，从而达到推力室的减重以及大概率避免燃烧不稳定的情况发生。
但是，离心式喷嘴不适合在小推力发动机上使用，小推力意味着过低的质量流量，质量流量过低时，不能保证液膜的稳定，这时需要增加挤压压降，同时增加了推进剂供应系统的负担；一般情况下，小推力发动机燃烧室直径通常不大，在过小的空间内使用直流式喷注器已经足矣（空间过小，因此推进剂液滴能够均匀的分布在燃烧室内，暂不需要考虑燃烧不稳定的情况发生）。（有人仍然提出质疑，说为何在小型发动机上不能使用离心式喷注器。还有个最重要的原因就是过小的喷注器不方便加工且有流量限制（30-300g/s），且离心式喷注器喷注单元较大（直径在10mm左右），以实际例子来说，如果在之前的500N发动机上使用离心式喷注器的话，20mm内径的燃烧室会扩大到35mm，喷注器单元外径直径在11mm，且还只有大流量的氧化剂能使用离心式喷注器（为什么？我上面有说过，见红色字体）燃料的喷注由于流量限制仍然只能使用直流式喷嘴。在增加加工经费的同时，同时增加了设计难度和发动机的整体质量的增加，是极为不利的。）（通俗的话来说，就是多此一举，打孔能解决的问题不要太过于复杂化）
因为离心式喷注器只适合于中等和大推力发动机，所以目前国内还没有爱好者涉足该喷注器的设计和使用。更重要的原因是该喷注单元工作的好坏，是由切向孔的加工精度决定的。若切向孔打偏，或者流道边缘有毛刺，液体就不会做切向运动从而发生湍流，这将直接导致喷注器单元雾化质量的急剧降低。此次我将会使用较为常见的加工方式，如：车削，电火花加工等，初步探究爱好者是否能用以上加工方式完成离心式喷注器的制造，并实际应用在液体火箭发动机内。如果成功，我国爱好者将会有能力制作中等推力的液体火箭发动机。
其次研究计划分为三步：
1、设计仿真期间：
1）提出设计方案，计算喷管，燃烧室，喷注器和壳体的设计参数；
2）初步绘图、建立模型；
3）第一次进行相关部件的CFD仿真；
4）根据CFD仿真的数据，进行对模型以及图纸的修改：
5）第二次相关部件的CFD仿真；
6）若结果符合设计要求：定稿准备进行机械加工；若不符合要求，继续第4步直到CFD仿真结果与设计要求符合。
目前成功的进行了喷管，喷注单元的CFD仿真，并且在计算期间发现一次液氧喷注单元的设计缺陷，第一时间修正了模型；在第二次CFD仿真中，修正后的模型所得出的流场云图符合参考文献中的结论。
这里展示部分CFD仿真的结果：
目前，计算、仿真和制图已经结束。
使用CFD仿真离心式喷嘴的详细内容，在这篇帖子里面有详细介绍，链接如下：
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/83997
2.喷注器的加工和测试
1）喷注器的加工
喷注器的加工，由于喷注器是轴对称体，使用车削方式加工外形和螺纹；切向孔和内部旋流室使用电火花加工。电火花加工精度能够满足此次喷注器的打孔任务，且在《500N硝酸——混胺发动机》项目中已经实际应用。
2）喷注器单个喷嘴的冷流测试：
冷流测试（Cold flow test）简称“冷测试”或“冷试”，冷流测试是一种检测总装流程错误及发动机零件缺陷的工具。冷试技术严格来说是一种质量检测的手段，是对发动机装配完成后的各系统进行综合测试的技术。（摘自百科）
根据上面那个冷流实验的例子，简单来说，就是用水来代替推进剂组元，进行发动机喷注器的工作状态的测试。
实验步骤为：开启高压钢瓶，打开减压器往水储罐增压，压力等于挤压压降。达到额定压力之后开阀放水。主要设备有：高压钢瓶，减压器，储罐，液压表，汽蚀文氏管，集液槽（这个是单个喷嘴测试所需要的）或者发动机头部。
汽蚀文氏管的作用，能够准确的提供实验所需的质量流量的液体，即流量控制的作用。
由于工介是水且工作压力不高，可以近距离观察喷嘴的实时雾化情况，或者高速摄影做后续分析。同时结合CFD模拟结果，集液槽的液压表等数据来判断喷注器设计是否合理，加工是否出现了偏差；判断喷注单元合格的标准有：
1)单个喷嘴：（1.流量质量 2.雾化角度 3.雾化效果）
2多个喷嘴即整个头部：（1.雾化效果 2.对撞情况 3.头部结构工况）
上色部分为重点监测要点！
3.热试车
将会进行一下步骤：
1）开放式热试车
在冷流测试通过的情况下，才能进行热试车，第一个进行的是开放式热试车。
所谓开放式热试车，整个测试部件就只有发动机的头部。这是后我们给头部供应推进剂并点火。从中观察组元混合是否均匀，燃烧是否存在不稳定的情况，若没有出现燃烧不稳定情况，将进行整体热试车；
2）整体热试车
所谓的整体热试车，就是日常爱好者所提到的试车。
这是第二个进行的项目，也是整个2000N液氧——煤油发动机项目决定成败之举。如果在开放式热试车测试中没有出现异常的话。将进行发动机全推力实验，同时采集推力数据供分析使用。达到设计要求即为整个项目的成功。
最后简单来说一下此次发动机的一些参数：
1.设计推力:2000N
2.发动机室压：3MPa
3.推进剂：液氧——煤油
4.挤压压降：1MPa
5.工作方式：挤压式
6.点火方式：点火药盒
发动机模型：亮黄色为发动机头部，由整块304不锈钢车削制成，与推力室的连接方式是焊接；褐色和黑色为烧蚀材料，分别是酚醛和石墨；深灰色是发动机燃烧室的圆筒段，由304不锈钢无缝管制成；浅灰色为喷管的固定端，由整块304不锈钢车削制成，然后与燃烧室圆筒段焊接。喷注器分布为同心圆式分布，可见中间较大一圈的氧化剂喷嘴，和外圆的燃料喷嘴，这样设计是为了让壁面附近生产富燃燃气，防止过热燃气对烧蚀层的直接烧蚀。
以上为整个项目的研究计划！
在这里说一下目前本人的情况：
1.本人目前已经将本计划分为两大项，目前第一大项也就是喷注器单元的设计和仿真已经结束了（上文提到过），第二大项也就是喷注器的冷流和后面的发动机实验已经是万事俱备只欠东风了。
2.有爱好者私下at笔者，说为什么使用烧蚀冷却而不使用再生冷却？原因如下：1.烧蚀冷却并不low，且已经有航天公司使用次方案来进行液体火箭发动机的开发了：日本北海道大树町地区的一家民营航天公司——星際科技(IST)，设计的MOMO-3液体火箭的主发动机就是烧蚀冷却:使用液氧—酒精，推力在20000N左右,在以往的测试中他们成功的让发动机足足工作了80和120S。2.在尝试新技术的前提下，最好减少其他不稳定因素的来源，烧蚀冷却已经是一项很成熟的技术了。3.研究计划和资金问题，目前来说先要验证喷注器的设计是否合理，且能不能让发动机正常工作，之后才能在进一步的修改。
3.资金的分发问题，本人有以下建议：由于本人身在国外，所以机械加工这方面是开展不了的，且审核员提到了大额（超5000）的资金需要分批转账。如果此次申请通过，本人打算用第一笔资金先购买实验所需的大部分原材料和器件，节约时间可以做到一回国就能开工。然后第二笔资金用来机械加工。若此次项目有剩余，将退还所有资金，若有超出预算的情况将会自行补贴。
资金预算
| 用途 | 规格型号 | 单价(元) | 数量 | 单位 | 合计(元) | 专家建议(元) | 实际批准(元) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 科品旗舰店6061铝合金管 120*104 长2m | 328 | 2 | 656 | 656 | 656 | ||
| 500kg传感器及配套电子设备 | 200 | 1 | 200 | 200 | 200 | ||
| 重庆盾铭阀门厂 高压液氧阀门 定制件 DN15 10Mpa 24V | 1150 | 1 | 1150 | 1150 | 1150 | ||
| 车床车削（这个需要跟师傅现场商量，按照以往加工经历大概需要这么多，此外需要用数控车床车石墨喷管的圆弧段） | 2000 | 1 | 2000 | 2000 | 2000 | ||
| 上海慧辰贸易高纯石墨棒 130mm直径 20cm长 | 458 | 1 | 458 | 458 | 458 | ||
| 304不锈钢棒料 180mm直径 30cm长 （估价） | 700 | 1 | 700 | 700 | 700 | ||
| 酚醛树脂棒 140mm外径 1m长 不零散卖 | 430 | 1 | 430 | 430 | 430 | ||
| 电火花加工（14个喷注器单元 3个汽蚀文氏管）（估价） | 100 | 17 | 1700 | 1700 | 1700 | ||
| 焊接加工（估价） | 200 | 1 | 200 | 200 | 200 | ||
| 角钢 40 40 规格 6m（估价） | 150 | 2 | 300 | 300 | 300 | ||
| 304不锈钢棒料 40mm 2m（估价） | 400 | 1 | 400 | 400 | 380 | ||
| 东莞市荣悦金属材料有限公司6061铝合金棒 φ150*300mm | 323 | 1 | 323 | 323 | 323 | ||
| 新建13东莞市荣悦金属材料有限公司6061铝合金棒 φ150*300mm运费 | 60 | 1 | 60 | 60 | 60 | ||
| 宁波艾尔派克电磁阀ZSLG221515-CRB170 DN15 耐压 10MPa 24V 电磁阀 包邮 | 340 | 1 | 340 | 340 | 340 | ||
| 江苏方华阀门充灌设备厂编制管 10MPa | 150 | 2 | 300 | 300 | 300 |
申请金额 9217 元，专家建议 9217 元，实际批准 9197 元
实际花费
| 用途 | 规格型号 | 单价(元) | 数量 | 单位 | 合计(元) |
|---|---|---|---|---|---|
| 科品旗舰店6061铝合金管 120*104 长2m | 328 | 2 | 656 | ||
| 500kg传感器及配套电子设备 | 200 | 1 | 200 | ||
| 重庆盾铭阀门厂 高压液氧阀门 定制件 DN15 10Mpa 24V | 1150 | 1 | 1150 | ||
| 车床车削（因为自己在攻丝的时候废料了，所有东西重新做了一次） | 4400 | 1 | 4400 | ||
| 上海慧辰贸易高纯石墨棒 130mm直径 20cm长 | 482 | 1 | 482 | ||
| 304不锈钢棒料 | 740 | 1 | 740 | ||
| 酚醛树脂棒 140mm | 88 | 1 | 88 | ||
| 电火花加工（14个喷注器单元 2个汽蚀文氏管 煤油盖板） | 1 | 2900 | 2900 | ||
| 钎料，助焊剂，无氧焊枪 | 493 | 1 | 493 | ||
| 304不锈钢棒料 40mm 2m | 410 | 1 | 410 | ||
| 东莞市荣悦金属材料有限公司6061铝合金棒 φ150*300mm | 485 | 1 | 485 | ||
| 宁波艾尔派克电磁阀ZSLG221515-CRB170 DN15 耐压 10MPa 24V 电磁阀 包邮 | 360 | 1 | 360 | ||
| 江苏方华阀门充灌设备厂编制管 10MPa | 150 | 2 | 300 | ||
| 新建江苏方华阀门充灌设备厂编制管 15MPa | 150 | 2 | 300 | ||
| T2紫铜棒 | 116 | 1 | 116 | ||
| 测温枪和运动相机（运动相机在试验的时候被火烧损坏了） | 1 | 300 | 300 | ||
| 15L钢瓶 | 265 | 2 | 530 | ||
| 304不锈钢 30mm外径 650mm长 | 90 | 1 | 90 | ||
| 隔热棉 | 88 | 1 | 88 | ||
| 液化气和煤油以及液氧氮气氩气的价格 | 460 | 1 | 460 | ||
| 线切割 | 180 | 1 | 180 |
实际花费 14728 元，应退金额 0 元
拨款详情
| 序号 | 金额 | 状态 |
|---|---|---|
| 第 1 期 | 5297 元 | 已拨款 |
| 第 2 期 | 3900 元 | 已拨款 |
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结题报告
项目状态
提交申请
专家审核
管理员复核
第 1 期拨款 5297 元
第 2 期拨款 3900 元
结题
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[修改于 5年5个月前 - 2019/06/20 18:03:11]
琉璃冬
进士 学者 机友 笔友
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