基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法

为了开展宽域冲压发动机的全流道设计工作,将双模态冲压发动机等效热力过程分析方法拓展到全流道设计,建立了基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法。将该方法应用于带几何可调进气道的宽域冲压发动机全流道方案设计,分析了进气道调节、燃烧室尺寸对发动机性能潜力的影响。研究结果表明：马赫数2.0～3.5范围,在比冲和流量2个因素之间,流量对发动机推力性能影响更大,所以在低速段应尽力增大进气道流量;与第2级转折角相比,第2级折转角对比冲和推力的影响权重更大,采用较小的2级折转角有利于提高性能;获得最优推力和比冲性能需要不同的进气道方案。在所研究的马赫数范围,燃烧室需用面积相差很大,飞行马赫数越低、需用面积越大。若以低马赫数的高推力要求为设计依据,需要付出横向尺寸的代价,意味着阻力和重量的增大;若以高马赫数的高推力要求为选择依据,需要在低马赫数时付出推力性能的代价,意味着加速时间和耗油量的增大。本文发展的方法可以快速筛选获得最优推力性能或比冲性能的全流道方案,为宽域高性能冲压发动机的全流道性能初步设计提供有力支撑。     

1kW级肼电弧加热发动机工程样机研究

为了满足静止轨道卫星及中低轨道卫星降低重量、延长寿命的需要,北京控制工程研究所近年来开展了电弧加热发动机的研究工作,目前正在进行1kW级肼电弧加热发动机工程样机的研制。介绍了1kW级肼电弧加热发动机工程样机研制工作的进展情况。该项研制工作的目标是：完成电弧加热发动机的设计、加工和500h寿命试验。预期发动机功耗为1kW左右,比冲为4.5～5.5N.s/g,推力为75～150mN。目前已经完成了第一轮的发动机设计、加工和性能测试工作。出于安全性的考虑,目前的测试暂时是用N2和NH3的混合气体模拟肼进行的,测试获得了发动机的比冲、推力、效率等数据。在模拟肼的流量为18～30mg时,发动机的推力为100～150mN,比冲在5N.s/g左右,满足设计指标要求。预期采用单组元肼作为推进剂后,比冲将有所提高。     

氢-氮电弧加热推力器运行参数与性能

采用氢气和氮气的摩尔比r在1.0~2.0范围的混合气体作为推进剂,实时检测电弧加热推力器运行中的弧电流、弧电压、入口压力、真空室压力、质量流量和喷口温度等工作参数,研究了比功率、r和质量流量对推力器产生的推力、比冲和推力效率的影响。实验结果表明,同时增加混合气体的质量流量和r能有效提高推力器的推力;较高的r能获得高的比冲和效率,尤其是比冲随着r的提高明显地单调上升。     

小功率氮电弧推力器的性能

采用自然辐射冷却结构的小功率电弧推力器,实现了以氮气为推进剂的长时间稳定运行。采用间接测力方法得到推力,利用铜镜反射法拍摄喉道处的放电状态,结合测量的弧电压、弧电流和气流量数据以及导出的比冲和推力效率,对推力器运行性能和放电特性进行了研究。结果显示:在气流量为100~700mL/min,输入功率为35~55W的条件下,最大推力约为24mN,最大比冲接近175s,当弧电流为80~120mA范围内变化时,弧电压变化范围为420~520V,并且弧电压随气流量的增加呈现出先下降后上升的趋势。      

小功率氩电弧推力器性能实验研究

为了对适合小卫星使用的电弧加热推进系统的优化设计提供一定的参考,自行设计了输入电功率数瓦至数十瓦的小功率电弧等离子体推力器及其运行性能实验系统,包括一种气动小推力的间接测量系统。对四种不同喷管结构和尺寸的小功率电弧推力器,实验检测了所产生的推力随着弧电流和推进剂流量的变化。结果显示:在气流量4.5~10.5mg/s,输入功率3~35W的条件下,推力器产生的最大推力约为9.7mN,最大比冲约为110s;减小喉道直径,适当增加扩张比有助于提高小功率Arcjet的性能;当弧电流在10~110mA范围内变化时,弧电压的变化范围约为210~280V,气体的放电形式有别于传统的电弧加热推力器。      

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.     

阳极电流和屏栅电压对5kW离子推力器性能的影响

为了研究5kW离子推力器功率宽范围工作能力,采用试验的方法得到阳极电流和屏栅电压与其性能的影响关系。研究结果表明：离子束流随阳极电流增大呈线性增大。当屏栅电压增加时,推力器离子束流先增加然后趋于稳定,加速栅电流单调减小。推力随功率增大呈线性增长,比冲随功率的增大呈非线性增长,在功率308W~4813W下实现了推力12mN~184mN,比冲1817s~3538s, 效率34%~67%的宽范围调节。同时推力器效率随功率增大逐渐增大,并在2902W时存在明显拐点,在实际在轨应用中要根据任务需求确定最佳工作区间提高推力器性能和效率。     

小功率电弧等离子体发动机试验及性能分析

电弧等离子体发动机（Arcjet）因其高比冲、高推力／功率比等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。介绍了小功率Arcjet实验研究系统的主要组成，分析了实验方案，对4种不同结构尺寸的发动机进行了性能实验，给出初步的工作性能参数及实验结果分析，实验结果表明小喷管喉和戏及氮作为推进剂的发动机性能较好。所得结论对小功率Arcjet发动机的优化设计具有参考价值。     

多级电弧对MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机性能的影响

MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机中电弧数目的增加会改变发动机的循环结构,影响发动机的性能。理论上分析了MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机中电弧数目的增加对发动机单位推力的影响,讨论了电弧数目趋于无穷大时的发动机性能,定量给出了不同电弧数目下的发动机单位推力。结果表明,MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机的单位推力随着电弧数目的增加而增加;当电弧数目趋于无穷大时,发动机单位推力存在最大值;增加电弧数目所获得的发动机单位推力的增益随着电弧数目的增加而不断减缓。     

面向一体化计算的整体式液体冲压发动机建模及性能评估

为发展冲压发动机性能工程预估方法,建立了面向一体化计算的整体式液体冲压发动机性能计算模型,并使其兼容基团贡献算法,提高了拓展性。利用模型分析了冲压发动机在攻角0°～6°、高度0～18km、马赫数2.0～3.5、余气系数1.0～2.9范围工况多维度连续变化下,比冲、推力系数和燃油质量流量的速度-高度特性、高度-节流特性、节流-速度特性以及攻角特性。研究结果表明:性能计算模型可在一体化计算条件下、基团贡献算法允许范围内,不依赖试验数据对冲压发动机性能预估,计算结果与技术参考值相比相对误差均小于14%。推力系数和比冲具有基本一致的速度-高度特性和相似的高度-节流特性,受燃气组分影响,推力系数和比冲的节流-速度特性差异明显。燃油质量流量的变化规律不同于比冲和推力系数,在进入平流层后呈现折缓趋势,而呈现连续性,速度越大、高度越低、余气系数越小,燃油质量流量越高,反之则越小。引入攻角以后,攻角越大,比冲和推力系数越低,进气道起动马赫数越高;攻角-起动马赫数曲线小范围内近似线性,攻角超过5.6°非线性加剧。     

环境压强对电弧喷射推力器性能的影响

为了详细研究环境压强对电弧喷射推力器性能的影响,对低功率氮氢电弧喷射推力器在不同环境压强下的工作性能进行了比较计算。采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)和经典龙格库塔方法求解耦合电磁源项的N-S方程组,采用高斯-塞德尔超松弛迭代方法数值求解电磁场方程。计算结果给出了不同环境压强下推力器的推力、比冲、推进效率和出口平面冲量密度分布。结果分析定量地阐释了环境压强对推力器性能的影响,能为推力器的实验研究及空间应用提供参考。      

电弧喷射推力器化学非平衡数值模拟

为了准确把握电弧喷射推力器工作过程物理机理与特征,采用化学非平衡模型对不同压缩室直径下低功率氮电弧喷射推力器工作情况进行了数值模拟。模型考虑了工作过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分,4反应的有限速率化学反应模型。采用二阶精度NND格式数值求解耦合电磁源项和化学反应源项的N S方程组,采用有限控制容积积分方法求解由麦克斯韦方程组推导出的电磁场方程。数值模拟的结果揭示了推力器内部电弧能量输入作用和高温电离气体的离解电离状况,给出了不同压缩室直径下推力器的推力、比冲和推进效率。结果分析表明,压缩室直径对推力器性能具有较大影响。     

推力器射流动压分布检测与分析

采用自行设计的动压探针,测量了大气压和真空环境下冷态氮气自由/冲击射流动压分布,以及真空环境下氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布。将动压径向分布积分所得结果与冲击平板法间接测得的推力值做了比较。结果表明,大气压环境下测得的冷态氮气自由/冲击射流动压分布呈现明显的亚声速流动的特点,真空环境下测得的冷态射流动压显示有波系存在的超声速流动状态;而氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布中看不出羽流中明显的激波存在。在一定条件下,即在较高马赫数的超声速射流中,探针不影响气流在喷管内的膨胀过程,以及羽流速度和密度没有过分降低的区间内,动压探针测量数据径向积分的结果可以代表电弧加热推力器的推力。     

低功率变截面通道霍尔推力器电离特性

在不改变霍尔推力器特征尺寸的条件下为了提高其低功率时的性能,采用缩小通道局部通流面积的方法,利用增加电离区原子密度来提高工质利用率。实验结果表明,该方法能有效拓展低功率放电范围,控制工质电离过程,增加工质利用率,并提高霍尔推力器在低功率下的推力、比冲和效率性能。羽流发散角优化是后续变截面研究中需要重点关注的问题。     

稳态等离子体推力器低功率工作模式实验研究

稳态等离子体动力器（SPT）是技术性能和空间适应性良好的电推力器,是小卫星空间动力的理想选择。从实验的角度研究了额定功率为660W的SPT在低于其额定功率下运行,推力器的放电特性、推车特性、推力效率、比冲等性能随推力器工作参数的变化。实验结果表明：660W的SPT推力器在低于其额定功率下工作,具有稳定的放电特性和确定的推力性能,可以将较大尺寸的SPT推力器在低功率模式下运行来替代小尺寸SPT推力器的作用。     

一种电推力器用小推力测量系统

为了精确测量小功率电推力器的小推力，从理论上提出了一种小推力测量的方法，即利用电磁反馈补偿方法使推力测量天平工作在随遇平衡状态（或接近于随遇平衡状态），消除气路和电路连接的影响。电磁力反馈补偿推力器产生的和。通过对电弧加热等离子体推力器（Arcjet）的热实验，测量装置测量了不同工况下的推力值。实验证明此测量方法可准确测得电推力器工作的小推力。     

Influences of characteristic parameters on starting-up process of an arcjet thruster

Arcjet thruster has been a widely used electrical propulsion technology on GEO satellites since 1993. In its long history of technical development and commercial application, lifetime verification of an arcjet thruster is always one of the most important and expensive tasks. Considering that the main life limitation of an arcjet thruster is electrode ablation and a significant share of the total ablation happens in its starting-up process, the starting-up process is studied with arc voltage signals. Through interpretation of arc voltage signals, the transfer process of the arc root on the anode surface is identified, and ΔT (the duration of the arc root transfer process) is suggested to be a characteristic parameter for fast evaluation of lifetime assessment and design optimization for an arcjet thruster. With this criterion, the influences of typical parameters on the starting-up process are established through comparison with a benchmark parameter. According to experimental results, an increase of the gas flow will obviously reduce ΔT, while a smaller swirl aperture and a longer throat channel do not have a remarkable correlation with ΔT. Moreover, with a sample of a smaller throat diameter to increase the flow velocity, a reduction of ΔT is achieved. Meanwhile, the modifications also affect the stability of arcjet thruster operation, which is also discussed.     

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统设计与性能分析

为有效解决在日蚀区太阳能热推进器推力失效、电力中断的问题,提出了蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统结构,并对系统各部件建立相关物理数学模型,分析了工质种类、工质流量等因素对推进性能的影响。结果表明,为保证推进器在日蚀区30min内持续提供推力和电力供应,砷化镓热光伏电池在无工质工况下能提供10W左右的低功率电力供应,在设计工况下能提供50W～110W的电力供应;液氢作为工质时,最大比冲将达到806s,随着工质流量的持续增加,比冲损失速率呈现先加快后减慢的变化趋势;液氨作为替代工质具有更快的加热速率,其比冲为240s～300s远低于氢工质比冲,其推力系数1.77要略高于氢工质推力系数1.7。通过本文研究,蓄热式太阳能双模推进系统具有较好的可行性,且推力及比冲适中,有望弥补低比冲化学推进和小推力电推进技术的不足。