低温液氧过冷方案对比分析与试验研究

从燃料密度、显冷量和贮箱增压压力等方面阐述了采用过冷液氧推进剂的性能优势。以获取66 K过冷液氧为目标，从低温工质消耗、功率消耗、系统复杂性和安全性等多个方面对液氧抽空减压、负压液氮浴换热和氦制冷循环3种过冷方案进行了定量与定性对比。针对液氮浴过冷技术进一步对比了单级与两级过冷方案，最终建议采用常压+负压两级液氮浴过冷方案获取66 K深度过冷液氧，并基于该方案搭建了半工业级液氧深度过冷验证平台，成功将液氮过冷至66 K以下。试验表明在0～3 L/s的液氧流量范围内，由于管道漏热，液氧过冷加注过程中其温度随着流量增大而降低。本试验验证了两级液氮浴过冷方案的可行性，为低温火箭发射场推进剂加注系统升级提供了理论及技术参考。     

液态甲烷管道预冷过程的仿真研究

低温推进剂液体火箭发动机在推进剂加注时需要进行管道预冷以避免推进剂气化。为揭示管路预冷过程中低温流体的两相流动特性,针对小型液氧/甲烷发动机液态甲烷管道的预冷过程进行了研究。采用Lee蒸发模型,模拟并分析了不同入口流量下的湍流传热过程,得到了管道预冷过程中甲烷的体积分数、温度、压力和速度的变化规律。结果表明：在管道预冷过程中,液态甲烷会发生闪蒸现象,甲烷的温度和压力的变化是影响闪蒸的主要因素;在低流量时,预冷时间与质量流量呈负相关,当质量流量增大到一定程度后,预冷时间趋于稳定值。研究结果可预示容许时间内的最优预冷流量,对提高预冷效率和改进低温推进剂加注过程具有指导作用。     

长期在轨贮存低温推进剂过冷度获取方案研究

增大低温推进剂入轨时的过冷度可显著延长低温燃料在轨贮存期限.通过文献调研与理论分析,介绍了4种低温推进剂过冷度获取方案的工作过程与研究现状,分析了不同方案的优缺点,在此基础上提出了我国开展相关研究的思路.研究表明:①为了减小过冷度获取成本,应采用先加注后冷却的操作程序,且制冷系统尽可能靠近目标贮箱;②液氧、液态甲烷可通过液氮池沸腾提供过冷度;③氦气喷射预冷消耗氦气量巨大,建议仅针对小型液氢采用此技术;④热力学低温流体过冷器(TCS)技术具有总体质量轻、投入能量少等优点,在液氢过冷度获取方面具有可观的应用前景.可为我国开展低温推进剂过冷度相关研究提供参考.      

在轨加注任务中变质量特性下的空间操作臂状态扩展自适应镇定控制

模块更换方式在轨加注任务面向不同类型的多个待加注目标与推进剂模块,过程中涉及航天器对接与分离、推进剂模块拆卸与组装等多种操作,研发时需要考虑系统中质量特性变化复杂,以及地面验证中存在的全周期、遍历性的任务级微重力模拟试验难以实现的问题。首先,针对地面调试良好时在轨加注空间操作臂系统可能被掩盖的非线性动力学特性,分析了一定参数范围下,任务执行过程中负载和基座质量特性变化对空间操作臂动力学特性和控制性能的影响。随后为实现对控制对象及环境改变的自适应性,基于惯性矩阵分解与重力载荷矩阵线性化,设计g的自适应律,并扩展系统状态变量,建立系统的Hamilton模型,进而基于能量函数整形与阻尼注入的无源性控制思想,设计预置镇定控制律,提出一种可对不同工况下的系统非线性实现自适应镇定的控制方案。最后,通过仿真研究验证了所提控制方案的有效性。     

超临界燃料输送系统中甲烷/氮输运特性试验研究

为在确知组分条件下,获得不同小分子碳氢燃料的输运、喷射与燃烧特性数据,建立了一套可用于单组分和多组分超临界小分子碳氢燃料输送的系统。该系统采用先加压再加热的工作模式,使预知组分的小分子碳氢燃料达到喷前状态。利用氮作为输送介质进行了系统校验,试验中所获得的不同位置压力、温度随时间的变化数据表明,系统实现了氮流量及输送条件的稳定控制;在所研究的参数范围内,在下游出口获得了氮的不同相态;上下游两级喉道内氮流量的计算结果相对偏差≤±3%,说明两级喉道内氮的流量匹配性较好。在较大参数变化范围内,试验研究了甲烷在系统中的输运特性。甲烷的相态和流量分析结果表明,当喉部处相态位于气相时,可以按理想气体等熵流动计算流量,所得结果与国家标准提供方法相差小于±1%;当甲烷在上游喉道的喉部处于超临界相、在下游喉道的喉部处于气相时,两喉道流量计算结果相差8%~17%。该系统可以实现氮/甲烷流量大于100g/s,喷前压力大于5MPa,喷前温度高于450K条件下的稳定输送。     

液氮抽真空制冷的理论及试验

在考虑液氮总质量变化、储罐罐体热容的前提下,基于化学势温差,传热系数和传质系数等参数,详细建立了液氮降压制备过冷液氮的数学模型。理论计算的液氮温度及质量变化和制取过冷液氮试验值吻合较好,结果表明:该数学模型能准确描述液氮相变过程,且获得了液氮抽真空制冷中相变传热的化学势温差为1.21 K、传热系数为2 942.37 W/(m2·K)及传质系数为0.004 4 m/s。      

低温推进剂加注系统置换介质的相似性分析

为了研究新一代航天推进系统低温推进剂加注系统的气体置换流程特性,采用数值模拟的方法,对置换介质的流动过程进行了模拟和分析,重点考察低温液体增压罐的工作压力、气路调节阀开度对于系统中流动状态和流量及压力调节的影响,并分别以氢、氮作为介质对系统内的流动特性进行计算,分析置换过程中流量调节的氮氢相似性。结果显示,氮气置换系统所得的流量压力调节规律与氢气置换系统在影响因素和变化趋势方面是相似的;但是,在相同的液体储罐增压工作压力和调节阀开度下,氢气系统内的最大流速可达氮气系统内最大流速的5倍,考虑到氢气系统的安全性要求,精确的流量调节策略还需要根据实际氢的置换测试结果来进行确定。     

基于气液加载方式的机匣热内压试验方法

提出了一种基于气液加载方式的航空发动机机匣热内压试验方法，用于模拟机匣件在典型工况下的温度和内压联合加载考核。采用气液加压装置实现温度和压力加载介质的解耦，以高温耐压油作为温度加载介质，利用仿形电加热器实现热载荷施加，以高压稳定气源作为压力载荷源对气液压控制腔体加压，通过对加压模型的理论分析指导压力载荷的定量控制。验证表明试验方法能够有效实现温度和压力载荷的精确控制，解决了液压系统难以实现高温控制和气压系统温度控制均匀性差的问题，同时也有效避免了气压加载方式开展破坏试验时的爆破现象。基于气液加压方式的试验方法能够有效应用于机匣件的热内压考核，实现温度控制精度优于±3 K和压力加载过程定量控制。     

基于比例阀控制的液压附件部件综合试验台的设计

针对某飞机液压系统对液压附件、部件的测试要求,设计了多支路液压系统综合试验台,实现了对飞机液压系统中作动器的动作时间、次数和速度等参数测试,对液压缸、阀、集成块等附件在不同压力、流量和温度等条件下的性能测试。该设计主要采用比例阀控制压力和流量,多级过滤器进行油源净化,PLC和继电器实现测控、电位计进行压力和流量调节,数显表直接显示压力、流量和温度、时间等参数。通过实际测试验证,试验台工作稳定、安全可靠、调整方便、显示直观、振动噪音小、不泄露,满足了某型号飞机液压附件部件测试的要求。     

甲烷水蒸气重整强化管内换热的数值模拟

以圆管内壁催化剂薄层内发生甲烷水蒸气重整反应为研究对象,对层流条件下反应及换热进行了数值模拟,分析了催化剂活性、薄层厚度、入口气体流量、入口压力、入口温度以及反应物组分比对反应和换热的影响.结果表明:催化剂薄层内的吸热反应可以有效地增强换热,降低壁面温度;提高催化剂活性和增加薄层厚度,可以增加化学反应吸热量,降低壁面温...     

0.3 m低温风洞液氮供给系统研制

基于系统级的一维热流体模拟分析,建立了适用于研究分析0.3 m低温风洞液氮供给系统的数学模型,并开展了系统漏热、两相流及缓冲罐中液氮容积等流体动力学分析;在系统现有控制策略及试验数据的基础上,基于该数学模型开展了系统压力动态响应分析,获得了在阀门动态调节过程中管网压力的瞬态响应,计算结果与试验值的总体误差控制在10%以内。喷射压力一致化改造避免了阀间干扰,添加的回流管道消除了供给末端的两相流现象,使喷射压力控制精度达到1.1%,调节时间减少到23 s,实现了风洞总温快速安全调节和精确控制。     

低温液体推进剂充填管路的数值模拟

研究了低温液体推进剂供应管路预冷充填过程的计算方法, 利用一维均相平衡态流体动力学模型和涵盖预冷过程中主要传热工况的传热模型, 考虑了低温液体推进剂的可压缩性, 用有限容积法求解管流方程, 用有限差分法求解管壁内的一维非稳态导热方程.计算了某型低温液体推进剂火箭发动机实验台系统供应管路的预冷充填过程, 分析比较了仿真与实验的结果, 为发动机和实验台系统的改进及新系统的设计提供了依据, 仿真结果及分析结论已应用于现有发动机实验台系统的改造和长距离液氢输送管道的设计中.      

型腔充填过程中气液两相流计算及三维自由表面的确定

针对液体充填型腔过程的特点,在固定计算域中数值模拟型腔充填过程中气液不相混两相流流场。采用了体积守恒形式的连续性方程,以防止由于气液两相密度差大而引起的数值求解中的不收敛现象。将PHOENICS软件的流场计算与守恒标量求解大变形自由表面的方法相结合,在固定计算域中完成了数值模拟三维液态充填型腔的过程。针对两种情况下的计算结果表明,本文提出的方法可用于高速充填过程和复杂型腔充填过程的数值模拟。     

Numerical investigation of transcritical liquid film cooling in a methane / oxygen rocket engine

Transcritical film cooling was investigated by numerical study in a methane cooled methane/oxygen rocket engine.The respective time-averaged Navier-Stokes equations have been solved for the compressible steady three-dimensional(3-D) flow.The flow field computations were performed using the semi-implicit method for pressure linked equation(SIMPLE) algorithm on several blocks of nonuniform collocated grid.The calculation was conducted over a pressure range of 202 650.0 Pa to 1.2×107 Pa and a temperature range of 120.0 K to 3 568.0 K.Twenty-nine different cases were simulated to calculate the impact of different factors.The results show that mass flow rate,length,diameter,number and diffused or convergence of film jet channel,injection angle and jet array arrangements have great impact on transcritical film cooling effectiveness.Furthermore,shape of the jet holes and jet and crossflow turbulence also affect the wall temperature distribution.Two rows of film arranged in different axial angles and staggered arrangement were proposed as new liquid film arrangement.Different radial angles have impact on the film cooling effectiveness in two row-jets cooled cases.The case of in-line and staggered arrangement are almost the same in the region before the second row of jets,but a staggered arrangement has a higher film cooling effectiveness from the second row of jets.     

流量突变条件下煤油流动与对流传热特性实验

对流量突变条件下RP-3航空煤油的圆管流动与传热过程进行了实验研究。燃料流动与传热实验是在超临界压力为3MPa、燃料温度为300～650K、雷诺数为3000～60000范围内进行的。实验同步测量了圆管煤油温度、壁温、油压的沿程分布,并应用基于动量与能量守恒的非定常控制体分析方法,获得了航空煤油壁面摩阻系数与传热努塞尔数的分布。实验结果表明:当煤油温度未超过临界值（约650K）、处于过压液态时,该实验条件下的入口流量的突增或者突减过程对摩阻系数与努塞尔数的影响很小。      

液体姿轨控发动机贮箱自动增压仿人智能控制研究

为研究液体姿轨控发动机自动增压方法,在理论分析自动增压系统性能的基础上,搭建了以孔板为控制元件的自动增压实验系统,采用仿人智能控制策略,开展了基于冷流实验的自动增压性能实验,并通过发动机试验验证,实现了发动机贮箱良好的平稳性、快速性和准确性。研究表明,在增压系统结构和增压气体介质给定的情况下,孔板节流面积、孔板出入口压力比、贮箱初始气垫体积决定了自动增压系统性能;根据发动机试验的推进剂流量需求,分别按推进剂体积流量60%,30%,10%的比例选取3个不同节流面积的增压气体孔板组成并联进气孔板组,同时保证进气孔板组可提供的增压气体最大临界体积流量大于推进剂体积流量（推荐二者比值为1~2.5）、孔板出入口增压气体压力比近似等于临界压力比（对氮气约为0.50~0.60）、贮箱初始气垫体积大于贮箱总容积的1/4,并在贮箱上设置流量为增压气体最大临界体积流量105%的排气孔板,在发动机工作过程中按照仿人智能控制策略自动组配孔板,可有效地提高自动增压性能。     

不同压比下冷却剂流量对塞锥再生冷却换热的影响

为了解塞式喷管发动机高低空不同的再生冷却换热特性,分别对二维型面内喷管和塞锥建立计算模型,采用数值模拟的方法,得出内喷管的冷却换热结果和出口参数,重点研究了塞锥在地面和设计点工作时的不同换热特性及其冷却剂流量的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:地面工况下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度和温度的影响较大,高空环境下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度的影响较小;在冷却剂流量相同的情况下,塞锥和塞锥底部在地面工况下的壁面温度要远高于在高空环境下的温度;在相同工况和相同冷却剂流量的情况下,塞锥壁面上的温度要远高于塞锥底部壁面上的温度.     

基于VOF方法模拟离心式喷嘴内部流动过程

基于两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,得到了液相填充喷嘴内部的过程,初始时刻,气液界面出现褶皱,随着进入液体的增多,褶皱逐渐消失;着重分析了喷嘴各个部位速度、压力分布,由于气液两相的存在,喷嘴内部流场变得异常复杂,流场分布不能用单相流的模式分析,总压损失大部分存在于喷嘴收缩段以及直管段,增大收缩段锥角、减小收缩段长度有利于减小总压损失;在喷嘴出口处设置一定扩张角,能够增加液相速度,减小液膜厚度,有利于雾化.