模拟空间环境下小发动机羽流压力场

为研究空间发动机的羽流特性及其对卫星的污染,在模拟空间环境下,进行了电加热CO2气体模拟发动机羽流流场的试验测量和理论计算。试验台主要包括空间环境模拟系统,电热气体模拟发动机,稳压气源,测量系统及其温控。理论计算采用计算流体动力学(CFD)和直接模拟Monte Carlo(DSMC)相结合的方法,完成了羽流场的数值模拟。测试结果表明,试验系统满足在10-3Pa量级的真空压力和93±5 K的背景温度下稳定运行和精确测量。不同坐标位置处试验数据和数值结果的比较表明,试验测量和理论计算吻合较好。     

用Simons法计算真空羽流

姿态控制发动机真空环境下工作产生的羽流对航天器造成的影响非常明显，用Simons法对真空羽流流场进行了解析计算，包括等熵核心区和边界层膨胀区的计算，得到了符合流动规律的结果，这是一种快速计算真空羽流场物理参数分布的方法，工作对卫星、飞船和空间站上的姿态控制发动机的工程设计和科学实验具有参考价值。     

解耦N-S/DSMC方法计算推力器真空羽流的边界条件研究

准确模拟羽流流场是合理评估空间推力器真空羽流效应的基础。因羽流流场同时包含连续和稀薄两种流动机理,通常采用解耦方式的Navier-Stokes(N-S)方程和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)混合方法对其进行模拟。为保证解耦N-S/DSMC方法应用于羽流计算时的准确性并尽量提高其计算效率,对计算中的DSMC入口和喷管壁面等边界条件设置问题开展了研究。通过与文献中低总压工况的羽流试验数据比较,确定了合理设置DSMC入口边界位置、壁面反射类型、壁温等边界条件的方法。针对将此方法应用于实际推力器工况计算时效率过低的问题,通过多种数值试验,表明从喷管出口处开始沿KnGL为0.05的等值线作为DSMC入口界面可同时保证仿真精度和较高的计算效率;并证明实际工况下壁温设置对羽流场仿真结果影响不大。     

基于DSMC方法的真空羽流不确定量化研究-空间推进专刊*

真实流动环境下的真空羽流必然存在着多种不确定性,那么确定条件输入的数值模拟会存在偏差,因此需进一步研究不确定性对羽流流动特征的影响规律。本文采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对不确定性输入的羽流流场进行模拟,采用稀疏的概率配置点方法对来流、壁面及模型参数等输入不确定量进行描述,对不确定性的传播和输出目标的平均值、方差及不确定度进行计算。研究表明,流场不确定性沿流线传播至流速最大处之后迅速增强,并在声速线前出现骤减的现象,传播至声速线之后,挡板壁面输入不确定性的影响凸显。最突出的是,压力不确定度在挡板驻点位置达到全场最大值,约为输入不确定量（3.54%）的2.1倍。此外,温度跳跃不确定度受到壁面温度不确定性输入的限制而近似保持为一个恒定值,约为输入不确定度的0.8倍。进而,壁面热流不确定度（5.54%）比壁面正应力不确定度（6.25%）略小,切应力不确定度最小（5.07%）。Sobol’全局敏度分析表明,喉道速度和喉道压力的输入不确定性对气动力/热不确定度的贡献是最大的,且远远超过了壁面温度和模拟分子直径不确定性输入的贡献。     

基于直接模拟蒙特卡洛方法的真空羽流不确定量化研究

真实流动环境下的真空羽流必然存在着各种不确定性,那么确定性输入条件的数值模拟必然会存在偏差,因此需进一步研究不确定性对羽流流动特征的影响规律。本文采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法,对不确定性输入的羽流流场进行模拟;采用稀疏的概率配置点方法对来流、壁面及模型参数等输入不确定量进行描述,对不确定性的传播和输出目标的平均值、方差及不确定度进行计算。研究表明,流场不确定性沿流线传播至流速最大处之后迅速增强,并在声速线前出现骤减的现象;传播至声速线之后,挡板壁面输入不确定性的影响凸显。其中最为显著的是,压力不确定度在挡板驻点位置达到全场最大值,约为输入不确定量(3.54%)的2.1倍。此外,温度跳跃不确定度受到壁面温度不确定性输入的限制而近似保持为一个恒定值,约为输入不确定度的0.8倍。进而,壁面热流不确定度(5.54%)比壁面正应力不确定度(6.25%)略小,切应力不确定度最小(5.07%)。Sobol’全局敏度分析表明,喉道速度和喉道压力的输入不确定性对气动力/热不确定度的贡献是最大的,且远远超过了壁面温度和模拟分子直径不确定性输入的贡献。     

真空羽流场的 N-S 和 DSMC 耦合数值模拟

根据调姿发动机真空羽流场的特点,采用差分求解Ｎ－Ｓ方程数值模拟喷管内流场,用ＤＳＭＣ方法数值模拟喷管外羽流场,得到了符合流动规律的数值模拟结果。为姿控发动机喷管设计提供了参考,并为真空羽流污染研究打下了良好的基础。     

Hall推力器羽流数值模拟

以稳态等离子体推力器(SPT)羽流流场为研究对象,基于直接蒙特卡罗模拟与粒子单元混合方法建立数值模型,模拟等离子体稳态流动,研究流场特性。将计算结果与实验数据相比较,并与同类推力器羽流参数进行比较,以保证仿真可靠性。研究表明,所建立的仿真模型能够较好地预测SPT羽流电子数密度和离子电流密度等参数。     

N2O单组元微推进系统及其喷管流场的初步研究

针对利用N2O单组元催化分解产生热气、用于精确控制飞行器姿态的微推进系统,提出了初步的系统方案和主要设计参数.通过数值仿真,对设计推力为1N的微推进器喷管在高空工况的内流场和真空羽流场进行了研究.计算得到喷管的推力为1.041N,比冲为1922.7N·s/kg,从而验证了喷管相关设计参数的合理性.理论分析为后续的地面试验件的设计加工及其热试车提供了有益的参考.     

电子束表面造型对液冷冷板散热性能影响研究

为了获得电子束表面造型对液冷冷板散热性能的影响规律,对带有柱状表面造型的液冷冷板进行数值模拟。结果表明,当冷却液通道中存在柱状表面造型时,可有效提高冷板的散热性能,其中造型高度对冷板的散热性能影响最大,造型流向间距的影响其次,造型直径的影响最小;当柱状造型直径1mm、高度6mm且相邻造型的流向间距为4mm时,冷却液与模拟发热芯片的温差为46.08℃,该冷板的散热性能与空白试样对比可提升23.23%。之后根据模拟结果,制备了具有不同表面造型特征的液冷冷板试样,散热性能测试结果表明,通道内制备柱状造型可提高冷板散热性能达13%以上;但当柱状造型高度4mm,且造型数量较少时,改变柱状造型特征对提升冷板散热性能的影响较小。     

三角翼大迎角风洞试验支架干扰数值模拟研究

现代战争要求战斗机能够在大迎角（AOA）状态下进行过失速飞行,对飞机大迎角绕流流场的研究主要的方法有风洞试验和数值模拟。在大迎角风洞试验中,常用的是尾支撑方法,支架的存在会对模型的试验结果产生一定的影响,本文通过数值模拟来对这个影响进行研究。以开源计算流体力学软件OpenFOAM 2.3为平台,采用PIMPLE算法求解Navier-Stokes（N-S）方程,PIMPLE算法是SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-linked Equations）算法和PISO（Pressure Implicit with Splitting of Operator）算法的结合体;采用基于有限体积的空间离散方法和空间二阶精度的线性插值方法,时间离散采用后向差分方法,湍流模型采用SA-DDES（Spalart-Allmaras-Delayed Detached Eddy Simulation）模型。为了验证方法的可靠性,首先对0°、10°、30°、50°、70°以及90°迎角下的有支架三角翼绕流流场进行计算,并将计算结果与试验结果进行对比,两者吻合较好。在此基础上,数值模拟了无支架的三角翼绕流流场,对比有/无支架情况下数值模拟结果,得到支架对三角翼绕流流场、背风面压强分布和气动力的影响。计算结果表明：大迎角情况下,有支架与无支架时相比,支架的存在会影响三角翼附近的流场（但是不会改变涡系等流动结构）、改变翼表面压强分布,从而导致三角翼的法向力系数和俯仰力矩系数发生明显变化。     

羽流效应地面模拟试验系统关键技术发展

叙述了羽流效应地面模拟试验系统由高空模拟试车台向真空试验系统发展的过程,指出引射原理的局限性和低温冷凝技术的适用性.介绍了应用低温冷凝技术建成的美国CHAFF-4(the collaborative high altitude flow facility-Ⅳ)系统和德国STG(Simulationsanlage für Treibstrahlenin G?ttingen)系统及中国首座大型羽流效应地面模拟试验系统——PES(the plume effects experimental system)系统.采用直接模拟蒙特卡罗DSMC (direct simulation Monte Carlo )方法对PES设备的内置式液氦深冷泵的抽气能力进行了数值模拟研究,结果表明无论有无羽流吸附泵时,2g/s级发动机点火时,内置式液氦深冷泵都能满足发动机出口截面后 ? 4m×5m范围内的背压小于10-3 Pa,羽流吸附泵能有效地阻止压缩波向喷管方向推进.      

空间发动机羽流场的试验研究

为研究空间发动机羽流对卫星的影响,建立羽流污染预报系统,研制了一套羽流试验系统并进行了试验研究.试验台主要包括空间环境模拟系统,电热气体发动机,稳压气源,轴向和径向移动装置,测量系统和温控系统.系统可在满足10-3Pa量级的真空压力和93±5K的背景温度下稳定运行和精确测量.本文完成了表征羽流特征的关键参数-压力场的测量.同时采用CFD和DSMC相结合的方法进行羽流场的数值模拟计算.测量数据与数值计算结果以及相似试验条件下Boyd等人的测量结果进行了对比.     

Experiment of Hall thruster plume effects on different ground experimental conditions

Reducing the influence of back-sputtering effect can effectively improve the accuracy of the measurement of the Hall thruster plume effect. Quartz crystal microbalance (QCM) was used to measure the deposition and sputtering distribution of HET-40 thruster plume on two different experimental conditions: case 1, using liquid nitrogen heat sinks and case 2, without using liquid nitrogen heat sinks. Meanwhile, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to analyze the composition of the QCM surface after two experiments. The results of the two experiments showed that the sputtering rate under the condition of case 1 was slightly higher than case 2. Especially within the range of 90° to 110° relative to the thruster axis, case 1 experiment result showed sputtering effect, while case 2 experiment showed deposition effect. Through analysis of the experimental results, it can be found that using liquid nitrogen heat sink to reduce the temperature of the inner wall surface of vacuum chamber can effectively adsorb the particles sputtered by the plume and reduce the concentration of back-sputtering particles, leading to the above phenomenon.      

稳态等离子体推力器羽流仿真及其对微波的衰减和相移作用

为了评估稳态等离子体推力器（SPT）羽流对微波造成的衰减和相位变化,使用二维轴对称的PIC-DSMC方法,在空间及室压6mPa的真空舱两种环境下,计算了SPT-100羽流场中的电子分布。在此基础上,通过分析特征频率和计算衰减因子、相位常数,估算了2,4,8,12.5GHz共4个频率微波穿过羽流场时的衰减量和相移。8GHz和12.5GHz微波未发现明显的衰减,相移为10°～120°。2GHz和4GHz微波在喷口附近衰减量范围为10～50dB。仿真结果表明,C波段和S波段在SPT羽流中容易发生衰减,而X波段以上的高频微波衰减量很小,同时这几个波段微波均发生较大相移。真空舱内6mPa背压下对衰减量的预测仅略高于实际飞行情况,但微波相移会有较大误差。     

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

Plasma transport simulation under different conditions and optimization analysis of dual-stage grid ion thruster

In order to study the extraction and acceleration mechanism of the dual-stage grid, a three-dimensional model based on the Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision(PIC/MCC) method is performed. Dual-stage grid ion thruster is a new type of electrostatic ion thruster, which can break through the limitations of traditional gridded ion thrusters, and greatly improve the specific impulse. The high performance also makes the grid sensitive to operating parameters. In this paper,the influence of grid pa...     

Coupling plasma plume of a low-power magnetically shielded Hall thruster with a hollow cathode

The coupling region of a Hall thruster with a hollow cathode is the region between the cathode and the thruster plume. The characteristics of plasma in that region are complicated and strongly associated with the thruster working conditions and the cathode position. In this paper, a laboratory 100 W class magnetically shielded Hall thruster was coupled with a hollow cathode. Optical imaging and electrostatic probe were employed to monitor and scan the plasma plume. Plume characteristics in the coupling region in non-self-sustained mode and self-sustained mode were compared. Evolution of the coupling plume with the cathode position was studied. Experiments show that, when turning the thruster into self-sustained mode or moving the cathode further away axially, the discharge current can be reduced by 6.4–10.6% restraining the electron current and improving ionization. In particular, when the cathode is moved further, the electron conduction near the channel walls is suppressed. The electron current is reduced by 27.4% and the ion beam current is increased by 7%. Overall, this work shows that the working mode of the thruster and the position of the cathode greatly affect the coupling plasma plume. Both play an important role in improving the utilizations of propellant and current.