空间羽流试验台设计与系统测试

基于国外羽流试验经验和国内实际,设计了一套主要由空间环境模拟设备、电加热气体模拟发动机、稳压气源、轴向与径向移动装置、测量系统和温控系统等组成的空间羽流试验系统,并测试了试验系统的温度、压力稳定度等参数.测量结果表明:系统满足发动机模拟空间高度大于100 km长程试车的要求,测试过程中真空舱内压力维持在1×10-3Pa量级,冷阱温度为(93±5)K.系统测量准确可靠,达到设计要求.     

磁流体动力加速风洞技术发展分析

针对高超声速飞行器地面模拟试验需求,传统试验方法难以实现真实气体温度、清洁空气、大尺度、长时间、高马赫数模拟能力,磁流体动力加速风洞提供了全新技术路线。文章归纳了国内外磁流体动力加速风洞研究发展现状,介绍了磁流体动力加速风洞原理。文章对基于热电离的磁流体动力加速风洞方案进行了论述,采用高频等离子发生器为设备提供加热源,从而避免电极烧损所引起的污染问题,控制气体总温不超过3500K,使气体离子化低于30%,通过两级加速,达到出口马赫数为15的模拟环境。文章进一步分析了磁流体动力加速风洞关键技术问题。超声速气流电离技术方面,核心问题在于超声速气流电离规律与机理以及电离种子注入、电子束电离等关键技术;磁流体动力加速通道设计方面,重点考虑气流密度及磁感应强度等因素的综合影响以及电极设计技术;高超声速模拟测试方面,关键技术包括电磁屏蔽技术、微波干涉仪技术、平面激光诱导荧光技术、高分辨率高性能的光谱测试技术等。最后,提出了磁流体动力加速风洞技术发展建议。     

临近空间飞艇运行环境及其影响

叙述了运行在20km以上临近空间的飞艇要经历的对流层和平流层的环境特点,对压力、密度、温度、太阳辐射、臭氧、水蒸气、高能粒子及大气污染物这些大气环境进行了分析,并提出了环境控制需要注意的几个问题,为临近空间飞艇的设计提供了参考。     

摇摆软管低温疲劳试验关键技术研究

为有效考核液体火箭发动机的工作可靠性,需要通过地面试验验证摇摆软管低温疲劳特性。摇摆软管低温疲劳试验系统承担试验时涉及的摇摆环境模拟、低温压力环境模拟、轴压平衡等关键技术。摇摆驱动分系统利用水平放置的2个液压伺服油缸作为驱动单元驱动十字轴带动摇摆软管摆动,模拟摇摆软管的安装边界及摇摆工况。低温压力供应分系统向摇摆软管内腔输送一定压力的液氮,模拟摇摆软管低温以及内压环境。内压平衡子系统通过设置在摇摆软管内的轴压平衡装置平衡内腔压力产生的轴向载荷,避免在内腔压力作用下伸长。某型氧化剂摇摆软管低温疲劳试验结果表明:摇摆软管低温疲劳试验系统能够实现摇摆软管双向摇摆和单向摇摆等疲劳试验工况,试验环境和边界条件与摇摆软管实际工作状态基本一致,试验参数满足要求。     

羽流导流综合验证试验技术

为了验证发动机羽流对航天器的综合力、热效应,验证发动机与羽流导流装置的相容性,考核羽流热防护材料性能及防护效果,开展了发动机燃气羽流导流综合验证试验工作。为了完成本次试验,对现有大型高空模拟试验台进行改造,新增试验件结构安装系统、位姿调整系统、温度控制系统,改造真空舱系统、真空抽气系统、测量系统、监控系统及推进剂加注系统等。采用机械真空泵与低温泵组合工作的方式获得试验所需真空环境,利用压电测力仪测量羽流扰动作用力,利用基于六自由度平台模式的位姿调整系统实现相对运动的模拟,试验系统经调试与试验验证满足各项技术要求。通过试验获得了试验验证器所受羽流扰动力数据以及试验验证器表面压力、温度及热流密度等参数分布数据,试验取得成功。     

基于螺旋桨系统的平流层飞艇复合控制系统

针对平流层飞艇采用螺旋桨推力／气动力复合控制问题,提出了一种基于自适应滑模控制与模糊逻辑的姿态控制设计方法。基于平流层飞艇控制系统的配置状况,建立了飞艇俯仰通道的动力学模型,并将该动力学控制系统分为气动力控制子系统和螺旋桨推力控制子系统两部分。整个控制系统采用自适应滑模控制理论进行设计,利用所具有的强鲁棒性优点,克服了包括参数摄动与外界扰动在内的各类不确定性因素的影响。并通过基于规则的模糊推理来确定不同条件下控制力作用的大小,削除滑模控制产生的抖振。最后仿真结果表明,所提出的复合控制方案对平流层飞艇的姿态稳定具有良好的控制效果,从而验证了复合控制系统设计的有效性。
     

火星车有风热平衡试验环境模拟技术

为了保证火星车在火星表面能够正常工作,需要在地面模拟火星表面的有风热环境,包括风速、风向、气体温度、气体成分和压力等,完成火星车在火星表面有风热环境下的热平衡试验。针对火星表面有风热环境特点,开展低压风速模拟、低压风速测量、压力控制、温度控制等研究,利用现有的KM3E真空容器,在其内部增加特殊设计的风扇、导流装置、压力控制系统、气体温度控制系统、火星车姿态调整系统等,使KM3E具备火星表面有风热环境模拟条件。该模拟技术成功应用于火星车有风热平衡试验,充分验证了火星车热控系统设计,为火星车热分析模型提供了重要参考。     

用多孔塞片实现推进剂微小流率的控制

在10 cm霍尔推力器工作流率需求分析的基础上,利用小孔节流原理和氙气黏性随温度变化明显的特性,采用粉末冶金多孔金属塞片作为节流元件,在给定入口压力的情况下,通过调节温度实现推进剂微小流率的控制。对基于该控制原理而设计的流量控制器开展了各项环境试验,即在试验前后利用推进剂流率测试系统对其性能进行了测试,测试结果一致性较好,符合设计要求。该流量控制器可在较宽的温度范围内实现不同流率的实时调节,从而满足推力器不同工作状态的流率需求,具有较强的适应性和调节性。     

一种用于空间机械臂的 微重力模拟悬吊配重试验系统

空间机械臂工作在空间微重力环境中,广泛用于太空中的舱段对接、在轨维修等操作,因此需要在地面模拟微重力环境以满足空间机械臂研制试验要求。文章基于国内外模拟微重力环境领域技术现状,依据型号研制试验要求,提出了一种用于大型空间机械臂性能和可靠性验证的微重力环境模拟悬吊配重试验系统,并给出了悬挂机构子系统、二维随动子系统、恒拉力子系统、位姿测定子系统的设计思路和具体方案。     

富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。     

基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。     

快速响应热流/温度传感器制备与试验研究*

针对高超声速飞行器在长时间试验中测量壁面温度和热流的要求,研究快速响应热流/温度传感器的制备工艺,介绍传感器在热流标定、表面温度测试和电弧风洞试验中的测试结果。利用光学显示设备对比研究三种不同的加压银钎焊工艺,结果表明无助焊剂的高纯度银钎焊工艺具有焊缝平整、厚度小、气孔少的优点。热流标定结果表明,水冷条件下传感器的98%响应时间约为0.35s,热沉条件下约为0.33s,在0.42 MW/m2～2.11MW/m2范围内,与标准传感器的偏差不大于6%;表面温度对比测量表明,传感器所测温度与热流具有线性关系,可以反映表面温度对气动加热的影响;电弧风洞试验表明,传感器可以用于长时间热防护试验的热流测量。     

风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

针对平流层底部准零风层特点，提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器，系统采用南瓜形超压气球体制，建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型，利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上，建立动力学模型和高度调控模型，针对我国某地风场模型，设计东西、南北方向独立控制区域驻留策略以及基于风场综合利用的协同控制区域驻留策略，通过SIMULINK模块开展区域驻留仿真，并对五种控制模式下的飞行轨迹进行对比分析。     

低密度高亚声速引射风洞设计及性能研究

研究以火星表面大气条件和火星飞行器飞行速度为基础，设计一个低密度高亚声速引射风洞，并运用ANSYS FLUENT 15.0对多喷嘴引射风洞的性能进行了数值计算分析。首先对计算进行了网格无关性验证，在保证计算精度和减少时间与计算资源的基础上，通过研究发现：多喷嘴引射器作为风洞动力系统可满足试验段马赫数达到0.77的高亚声速马赫数要求，并且对试验段上下壁面采用各1°的扩张角可有效降低试验段边界层对压力的影响，从而使试验段静压基本维持不变；提高引射膨胀比是提高试验段雷诺数的一个有效措施，但是会降低引射系数，同时会增加试验段的静压梯度，影响试验段的气流品质。因此低密度引射风洞设计过程中必须综合考虑试验段扩张角，引射膨胀比等因素。     

基于快速响应PSP技术的跨声速脉动压力实验研究

利用快速响应压敏涂料(PSP)技术对弹箭类飞行器跨声速段的脉动压力特性开展风洞实验研究,获得了Ma=0.8～1.2范围内弹箭类飞行器全表面1.2s实验时间段内的脉动压力特性,较全面地研究了马赫数、攻角(舵偏角)对脉动压力分布特性的影响。实验结果表明,快速响应PSP技术的脉动压力测量结果与高精度脉动压力传感器结果较为吻合,均方根脉动压力系数的测量误差小于15%,精度要求满足工程设计使用,且快速响应PSP测量方式能够获得弹箭类飞行器全表面的脉动压力分布,有利于捕获压力峰值和辨识跨声速非定常流场结构,更好地指导脉动压力载荷设计,在弹箭类飞行器设计中有较高的工程应用价值。     

如何使用CFD来确定风洞实验模型的缩尺比例——风洞试验模型设计准则从感性到理性的飞跃

对上百年传统的风洞试验模型缩尺比例的确定方法,提出了疑问,并且从N-S方程出发,指出了这种“传统”方法不符合相似理论,具有很大的随意性和盲目性。因而按“传统”方法给出的模型尺寸所提供的风洞实验气动力数据是不准确的,不能满足当今世界现代战争精确打击的战术技术要求。因此,必须按文中提出的,满足N-S方程解的相似性要求去确定模型的尺寸,才是今后风洞实验模型设计的方向。从这一点出发,文中还提出了一些新的概念,并且扩展到如何应用CFD来作为风洞实验相似理论辅助研究的设想。     

论相似准则,风洞尺寸与数据精,准度与关系

本文从相似理论到风洞实验，用大量的论据和事实、说明了风洞实验数据的精度，并不取决于风洞尺寸的大小，而只取决于实验条件及模型尺寸满足Ｎ－Ｓ方程的解的近似程度。文中讨论了怎样大小尺寸的风洞，既满足了空气动力学的研究发展和型号试验，又适合我国国情的经济性要求这个人们普遍关心的问题。最后介绍了ＮＡＳＡ给出的一组能较好满足上述两方面要求，且具有某种唯一性条件的不同Ｍａｃｈ数范围下的风洞最好尺寸，供有关部门和人员参考     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

低气压温控设备的舱内环境温度影响因素分析

低气压温控设备用于模拟临近空间低气压和高低温环境,低气压环境的温度场控制是低气压温控设备的关键指标,也是设计难点。文章首先通过Fluent软件对无风扇扰动的低气压舱中的环境温度进行数值仿真,研究热沉开孔对舱内环境温度的影响;在低气压舱模型中增加风扇模型,分析强制换热对低气压舱内环境温度的影响。通过在低气压温控设备中进行的无强制对流的温度控制试验,研究此时空间温度的降温速率、试验舱压力和舱内试件工装对舱内环境温度的影响。数值计算和试验研究结果表明,热沉开孔、扰动风扇、试验舱压力和试件工装均对低气压舱内环境温度有影响,在低气压温控设备的研制中,需综合考虑上述因素。