固体微推力器点火过程数值研究

为研究点火元器件加热区域受限下固体微推力器的局部点火过程,通过数值模拟手段,基于流固耦合传热模型和局部网格重构技术建立了推力器局部点火模型,研究了常压环境下的固体微推力器点火过程,分析了点火过程中推力器内燃气的流动和传热特性,并结合仿真所得推力-时间曲线与全表面点火模型和Jongkwang Lee提出的局部点火模型进行了对比。仿真结果表明,随着推进剂产生燃气往未燃推进剂表面的热反馈,推进剂燃面逐渐扩大。点火过程中喷喉燃气流速未达到声速,外界反压使微喷管内产生逆压梯度,导致喷管扩张段内出现边界层分离。由于喷管扩张段后部逆压梯度随时间增大,喷管扩张段后部回流相应加剧,从而增强了壁面表面的对流换热和燃气主流的动能耗散。模型的推力上升趋势与实际情况更加吻合。     

双组元推力器燃烧室脉冲工况数值模拟

为模拟一甲基肼/四氧化二氮双组元推力器燃烧室的脉冲工作过程,分析研究了燃烧室工作过程涉及的喷注雾化、液滴运动、液滴蒸发、自燃点火、液膜流动、熄火等,在此基础上建立了分析双组元推力器燃烧室脉冲工况的准一维模型,并利用此模型对离心式10N双组元推力器的燃烧室脉冲工作过程进行了数值模拟,其仿真结果与发动机的工作参数和理论分析比较吻合,该模型为此类发动机的设计和性能分析提供了参考。     

点火延迟对单组元自激式脉冲推力器的性能影响

点火延迟是脉冲推力器设计中需要考虑的重要因素之一.为研究点火延迟对自激式脉冲推力器的性能影响,以HAN基(Hydroxylammonium Nitrate)单组元推进剂为例,建立自激式脉冲推力器工作过程的仿真模型,分析了点火延迟时间的变化对推力器的压强、流量、推力及平均比冲的影响规律.结果表明,点火延迟会强化脉冲推力器的压强爬升过程,随着点火延迟时间的增大,一个脉冲循环中的推进剂燃烧持续时间和整个脉冲周期均会明显缩短,同时挤压腔压强峰值和燃烧室压强峰值以及推力器的平均推力水平也会显著升高,但点火延迟的变化基本不会影响脉冲周期内的平均比冲.点火延迟提供了一条调节脉冲工作特性的可能途径,研究点火延迟特性对自激式脉冲推力器的探索与应用具有重要的指导意义.     

弹丸脉冲侧喷力俯仰调姿试验与仿真研究

为了解某地面垂直发射弹丸在不同直接力控制系统（RCS）输出条件下的俯仰调姿运动情况，分别采用试验与仿真的方法进行了研究。首先，设计了用于弹丸调姿试验的脉冲侧向推力器、地面发射装置以及同步测试系统，利用高速摄像机测量了弹丸在不同推力器装药量和点火间隔时间情况下的调姿运动情况，并指出这两个参量是决定弹丸最终姿态角的主要因素，需要根据目标姿态角进行合理地搭配。然后，建立了考虑脉冲侧向推力器内弹道过程的弹丸调姿运动模型，并与试验结果进行了对比，验证了仿真模型的预测误差在5%以内。随后，利用仿真模型分析了不同推力器装药量时脉冲推力的变化情况，指出装药量对脉冲推力的变化规律有重要影响，需要与弹丸运动耦合计算以获得更高的精度。最后，对不同推力器装药量时弹丸调整到各目标姿态角所需的点火间隔时间进行了计算，为进一步的研究提供了数据参考。     

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。     

脉冲等离子体推力器火花塞的性能实验

点火回路引燃脉冲等离子体推力器的主电容放电,是推力器的关键部分之一,其性能直接影响到推力器运行的成败。实验设计了脉冲等离子体推力器的点火电路和同轴型、钩型、平行电极型三种结构的火花塞。在此基础上,获得了三种火花塞的充电电压、放电电流及点火情况。结果显示,平行电极型的点火效果最佳。最后分析了三种火花塞的点火机理,获得了较好放电性能的火花塞结构形式,为脉冲等离子体推力器的稳定运行提供了重要的依据。     

基于纳米铝热剂的MEMS固体微推力器点火实验研究

MEMS固体微推力器可以形成单元数量巨大的微推力器阵列,适合低成本微、纳卫星系统,是极具潜力的新型卫星推力器。为研究基于纳米铝热剂的MEMS推力器工作特性,开展了大气和真空点火实验。大气下的燃烧羽流与空气进一步燃烧,导致羽流的发光持续时间约数ms,远大于真空试验,过估了在真空条件下的推力器作用时间。真空试验获得了动态推力特征和有效工作时间(约250μs),估算推力器的冲量约55μN·s～80μN·s。羽流影响范围的直径约为30mm、流向约70mm,羽流颗粒的运动速度约132m/s。测试结果显示,底部点火先将推进剂挤出喷孔,而后在外部燃烧和爆炸。羽流形貌有两种特征:一种是剧烈爆炸,产生蘑菇云状气体产物;而另一种未产生气状产物。前者的冲量和有效工作时间大于后者。     

内加热式N2O单组元推力器预热过程仿真与试验

为了提高N₂O单组元推力器预热效果,对推力器结构做出改进,引入内加热的预热模式.在模拟真空环境下开展了内加热式推力器预热试验,以10W功率加热5800s,使催化剂温度达到260℃(533K),证明了内加热模式的可行性及优越性.开展了内加热式N₂O单组元推力器系统的三维建模,并利用有限元软件对推力器预热过程进行了分析,得到了推力器结构温度场随时间的变化情况.数值分析结果与试验数据吻合良好,验证了所用仿真模型的准确性.进一步对简化结构后的内加热式推力器在模拟太空环境下分别施加10,5,3W加热功率时的预热过程开展了数值仿真研究,结果表明:10W和5W加热功率能使催化剂在3600s内达到工作温度250℃,可为N₂O单组元推力器的实际应用提供参考.      

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

煤油简化化学反应机理在超燃数值模拟中的应用

针对一种适用于超声速燃烧流场数值模拟的新型26组元89反应简化燃烧反应机理,在RP-3航空煤油点火、定常/非定常燃烧流场数值模拟方面的效率与精度进行了研究。首先,对定常燃烧流场进行了典型算例数值模拟,得到了与试验数据相吻合的结果,分析表明该简化机理在计算精度方面具有明显优势。然后,针对气态煤油在超燃冲压发动机燃烧室内的非定常燃烧流场,将该简化机理与总包反应简化机理进行了对比,验证了该简化机理可以更准确地描述燃料燃烧过程中化学能的释放过程,并能够获得烯烃、炔烃等重要中间燃烧产物的空间分布规律,给出包括点火延迟等参数在内的更为全面的流场信息。研究结果表明,该新型燃烧反应简化机理在煤油燃料超声速燃烧流场的数值模拟方面具有较高的精度与效率,可以用于超燃冲压发动机内流燃烧流场的模拟与分析。     

激光烧蚀微推力器研究进展

激光烧蚀微推力器以其具有的许多显著优势成为最具应用前景的微推力器备选方案之一。其原理是通过星载固体或半导体激光器,烧蚀靶材产生微小推力,其主要特点包括比冲高、冲量动态范围宽、最小冲量比特小、功耗低、能量耦合效率高,以及易于实现轻量化和数字化控制。在回顾相关文献的基础上,从激光烧蚀机理、微推力器结构设计、烧蚀推进性能、烧蚀靶材和靶结构等方面对激光烧蚀微推力器的研究进展和技术水平进行了系统的总结和评述,并指出激光烧蚀微推力器研究所涉及的关键问题包括：激光烧蚀的理论描述、星载激光器、微推力器的性能参数体系、性能参数测量以及微推力器的一体化设计等方面。     

微型固体脉冲推力器结构强度有限元分析

对用于飞行姿态控制和弹道修正的微型固体脉冲推力器的结构强度进行了动静态有限元分析, 考虑了脉冲推力器的结构设计特点和加工工艺, 模拟其台架静压试验和实际工作的载荷历程。数值分析结果表明, 当静态台架试验内压采用动压峰值时, 计算所得的结构应力、变形及其分布与模拟推力器实际工作过程的动态峰值应力、变形及分布具有较好的比拟性; 燃烧室壳壁沿平行其轴线方向的破裂以及燃烧室与点火器壳体螺纹连接处退刀槽根部的开裂是推力器结构强度的主要破坏形式。计算预示与台架试验出现的相符     

一种多脉冲微推力的测量方法

 微推力测量技术是微推进器设计的关键技术之一,是微小卫星进行轨道保持、姿态控制的基础技术。多脉冲平均微推力的测量对于脉冲微推进器的特性研究有着重要的作用。对常用的微推力测量方法进行了总结,提出了一种多脉冲微推力测量的方法。基于二阶系统模型,利用傅里叶展开的方法,分析了在多脉冲推力作用下测量系统的动态响应。理论分析和仿真结果表明：在推力脉冲的频率远高于测量系统的固有频率时,系统的稳态转角同微推进器的平均推力成正比;可通过测量系统的稳态转角来获得平均推力大小;通过测量得到的平均推力,还可以获得总冲的大小。该测量方法可以有效避免推力信号的波动对于平均推力测量的影响。     

点火药量对微型脉冲推力器内弹道性能的影响

研究了用于高速动能导弹和超高速火箭弹道修正的微型脉冲推力器的三种推力—时间(F-t)曲线,发现由于脉冲推力器点火药量与主装药量之比明显高于常规固体火箭发动机该两者的比值,点火药量的多少会对推力器F-t曲线的形状和内弹道性能产生明显影响。必须严格控制点火药量,特别是引燃药剂的量,才能获得较为满意的内弹道性能。      

燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法

提出了一种燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法.该方法在发动机过渡态性能模型的基础上,变换描述发动机过渡态性能非线性模型中的自变量,最终实现过渡态控制计划的优化设计.以某型双轴混排涡扇发动机的加速过程为例,使用该方法规划得到了满足其加速过程限制的最优控制计划.将得到的控制计划代入发动机过渡态性能模型中进行验证.整体相对优化误差在0.1‰量级,表明该方法具有设计精度高、使用简单等特点.      

倾转旋翼过渡状态瞬态响应分析与试验

基于多体动力学分析方法建立倾转旋翼过渡状态瞬态响应分析模型,研究过渡状态下倾转旋翼非线性非定常气弹耦合动力学特性;通过引入倾转过程旋翼尾迹弯曲的影响,修正了直升机旋翼常规动态入流模型。集成非定常动态入流方程与倾转过渡状态的多体动力学方程,建立倾转旋翼过渡状态下时域非定常耦合分析模型。以两片桨叶的跷跷板旋翼为例,分析倾转过渡状态旋翼瞬态挥舞响应及旋翼气动力的时间响应历程。利用旋臂式模型机动飞行试验机进行倾转过渡状态下旋翼瞬态拉力的试验研究,试验与理论计算结果表现出很好的相关性。数值计算和试验结果表明:建立的时域模型能够有效分析倾转旋翼过渡状态的瞬态特性;倾转过渡状态旋翼尾迹弯曲对非定常动态入流的影响是显著的,对于倾转过渡状态动态入流尾迹弯曲的修正是很必要的。      

脉冲发动机建压段瞬态燃速模型

针对脉冲发动机工作时间短,压强高的特性,对建压阶段的瞬变燃烧过程进行了模型研究。该模型基于非稳态凝聚相能量方程,并耦合气相热反馈为求解该能量方程的边界条件,从而引入压强对燃烧过程的作用。模型中压强的变化规律由同样条件下的试验p-t曲线拟合得到。通过模型计算,可以对建压过程中推进剂表面温度随时间的变化规律、各压强下的瞬态燃速做出预测,结果与试验数据较好地吻合。用该瞬态燃速进行建压段内弹道仿真,与稳态数据相比,更接近实测曲线,表明该模型可以用于脉冲发动机建压段的瞬态燃速的预估。     

航空燃油齿轮泵滑动轴承非线性瞬态性能数值分析

为研究航空燃油齿轮泵滑动轴承在复杂交变载荷扰动下的瞬态润滑行为,建立了燃油齿轮泵滑动轴承的瞬态计算模型。该模型考虑了滑动轴承油膜空化边界的质量守恒和其所处非线性动态承载环境的影响。在此基础上使用批处理技术实现了燃油齿轮泵和滑动轴承的联合仿真计算,在滑动轴承的瞬态润滑计算过程中计入了燃油泵瞬态内流场和其动态载荷的耦合作用。以此进行了恒定载荷和动态载荷工况下的轴心轨迹稳定性分析以及轴承瞬态润滑性能分析研究。研究结果表明：滑动轴承计算模型的计算结果与实验数据较为吻合,误差保持1.2%以内;燃油齿轮泵的动态载荷对轴心轨迹的影响体现在轨迹启动段偏移的增大以及静平衡位置的消失;通过不同关键参数的对比研究发现：合理的增大宽径比或减小间隙比可以获得更为理想的轴心轨迹静平衡位置,但对于轴承转子运动的稳定性,间隙比由0.2%增至0.6%时,未稳定阶段轴心位置的变化趋势由双峰变为单峰,速度稳定段曲线的波动幅值先增大后趋于不变;当宽径比由0.6增至1.2时,全周期内速度响应曲线的偏移降低,轴心运行的稳定性提高;在轴承瞬态润滑特性中对于轴承载荷变化泄露流量具有的敏感性较强而最小油膜厚度的敏感性较差。     

A transient bulk flow model with circular whirl motion for rotordynamic coefficients of annular seals

Bulk flow model with perturbation simplification has been used to calculate rotordynamic coefficients in annular seals which have significant influences on the dynamic behavior of rotors in turbomachinery. In this work, a transient bulk flow model with arbitrary rotor motion is developed, and the boundary conditions and friction factor in the model are calibrated with steady Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. The numerical solution scheme is developed based on the finite element method to obtain the transient reaction force in the seal clearance. With a periodic circular rotor orbit, the transient forces at multiple whirling frequencies are used to evaluate the rotordynamic coefficients. The leakage flowrate of CFD analysis has good agreement with experimental results and the calibrated parameters in bulk flow model are dependent on operating conditions. Although CFD calibration improves the accuracy of the perturbed bulk flow model, the direct damping is overestimated and the cross-coupled damping is underestimated. Compared with the perturbed model, the predictions of the transient bulk flow model are more agreeable with the experiment.