10 N级N?O/乙烷推进器预混与非预混燃烧模式对比研究

《Scientific Reports》：Impact of premixing on the propulsion performance of N2O/hydrocarbon thrusters: a combined numerical and experimental study

　　

摘要

基于一氧化二氮（N?O）的自增压碳氢燃料双工质推进系统为非毒性航天推进应用提供了有前景的替代方案。然而，在受控工况下对非预混与非预混燃烧模式进行系统对比的研究尚未见报道。本研究采用三维数值模拟与热试车试验相结合的方法框架，定量评估了一款10 N级N?O/C?H?（乙烷）推进器的推进性能。在相同的推进剂质量流量、混合比及燃烧室几何构型条件下，将非预混非对称撞击式喷注器与两种预混构型进行了对比。数值模拟结果显示，预混双射流对称撞击构型的推力较非预混基准提高了16.4%，且这些趋势已通过热试车试验得到验证。尽管单孔构型出现了回火现象，但预混双射流对称撞击推进器实现了稳定的5 s燃烧，海平面推力为5.34 N，比冲（\(I_{sp}\)）为111 s。相较于非预混基准，比冲提高了11.1%，特征速度从1336 m/s提升至1350 m/s。这一性能提升归因于推进剂混合的增强以及喷管内更均匀轴向流场的形成。这项综合的数值与实验研究证明了预混喷注策略具有明确且确定的性能优势，为下一代高性能推进系统提供了关键的设计基准。