硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机起动过程的模拟（投稿 空间推进专刊）

无毒单组元液体火箭发动机是空间推进的发展方向之一。本文针对硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机的起动过程,建立了零维模型、不考虑相变过程的仿真模型,和考虑相变过程的仿真模型,并采用这些模型对60 N发动机进行了起动过程的模拟和对比分析。计算结果显示,推力室升压过程历经快速的气体充填和较慢的催化室升温两个阶段。零维计算模型和不考虑相变的CFD方法计算得到的两个阶段时长基本一致,但第一阶段时间显著低于试验结果,第二阶段时长与试验符合。考虑推进剂相变过程的模型计算结果与试验结果符合较好。一维计算得到HAN基推进剂在进入催化床约4mm的长度内完全分解。升压第一阶段受催化分解影响很大,HAN基推进剂的分解反应速率低于肼的分解反应速率。     

硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机起动过程的模拟

无毒单组元液体火箭发动机是空间推进的发展方向之一。针对硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机的起动过程,建立了零维模型、不考虑相变过程的仿真模型和考虑相变过程的仿真模型,并采用这些模型对60 N发动机进行了起动过程的模拟和对比分析。计算结果显示,推力室升压过程历经快速的气体充填和较慢的催化室升温两个阶段。零维计算模型和不考虑相变的CFD方法计算得到的两个阶段时长基本一致,但第一阶段时间显著低于试验结果,第二阶段时长与试验结果符合。考虑推进剂相变过程的模型计算结果与试验结果符合较好。一维计算得到HAN基推进剂在进入催化床约4mm的长度内完全分解。升压第一阶段受催化分解影响很大,HAN基推进剂的分解反应速率低于肼的分解反应速率。     

APU舱引射排液出口速度的估算方法

APU舱引射排液是一种复杂的气液两相流混合过程。通过假设,获得了一种APU舱引射排液装置出口液体排放速度的一维估算方法,并根据该方法计算了地面和空中典型姿态下APU舱排液管出口的液体排放速度,这些计算结果可作为全机级APU舱排液路径数值模拟的输入条件。计算结果表明,引射排液可以有效增加排液管出口液体排放速度,而且APU舱排液管出口液体排放速度与飞行高度成反比。     

模拟空间环境下射流雾化特性实验

为了深入研究空间环境下液体工质的喷射雾化特性,搭建了空间环境模拟实验系统,综合研究了真空环境下饱和蒸汽压、喷嘴直径、雷诺数和溶气等对液体射流雾化特性的影响。试验结果表明:闪蒸是真空环境下射流雾化的主要因素,射流雾化过程中闪蒸强度主要由工质饱和蒸汽压决定;喷嘴直径主要通过三方面的影响对射流雾化起作用:流动状态、湍流强度和气泡生长周期;雷诺数对真空雾化的影响主要涵盖以下三点:出口速度、流动状态和闪蒸过程;溶气对射流雾化有明显的影响作用,影响途径是通过气泡的不稳定生长和微爆作用。     

B737NG飞机真空废水排放管路再循环法清洁

飞机真空废水排放管路常因管路内壁堆积废物导致堵塞,进而降低真空排污系统的功能。为有效减少管路内废物堵塞对真空排污系统的影响,波音公司收集多家运营商对真空废水系统的维护经验及反馈,提出再循环法清洁废水排放管路可以有效预防和减少排污管路内废物的堆积。再循环法主要通过化学浸渍和机械冲洗除去废水管内积聚的污物,是一种预防性维护措施,可提高真空排污系统的使用周期。     

高超声速进气道/隔离段内流特性研究进展

作为超燃冲压发动机的增压部件,高超声速进气道/隔离段内部存在一系列的复杂流动现象,本文概述了该领域的相关研究进展。高超声速进气道/隔离段内存在多种激波/边界层干扰现象,并受到膨胀波系等的干扰,使其特性偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的三维干扰特征、多波组合干扰特征,并在通道内诱导出了显著的二次流,特别是角区旋涡流动。隔离段内存在复杂的激波和膨胀波结构,这些背景波系在隔离段内不断反射,形成显著的流向和横向参数间断。当出口流道发生几何或热力壅塞时,隔离段内会出现更为复杂的激波串现象。激波串和上游背景波系、角涡相干,呈现出明显的偏向性,并在前移过程中可能会出现两种特殊的动态前移过程。尽管最近对高超声速进气道/隔离段内流特性的认识得到了极大地提高,但仍然有较多的基础问题亟待解决。     

推进剂供应管路充填过程研究

对预充气体和近真空的管道充填过程进行了研究，考虑流体可压缩性和管壁的弹性，以统一的方程形式处理液体和气体的流动；采用带插值的特征线有限差分方法进行数值计算，较好地描述了充填过程中的瞬变特性和水击现象。     

飞机抛物线飞行试验中的液体行为仿真

微重力环境下液体的流动特性和晃动行为是航天工程上颇为关心的问题,也是进行推进剂管理的基础。飞机抛物线飞行是创建微重力环境地面实验方法之一,可实现对一定时间内液体行为的观测,但其成本较高且试验时长受限。基于失重飞机的一般运动规律,对单次及多次抛物线飞行的任务剖面进行了设计,并以单次抛物线飞行为例、利用CFD软件对液体行为进行了数值仿真,分析了失重飞行段初始条件对微重力液体响应的影响。仿真结果可为失重飞机飞行任务剖面的设计和优化提供参考。     

高压环境下剪切稀化非牛顿撞击射流直接数值模拟

高压环境下的撞击射流是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法,其雾化效果将直接决定最终燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具,对10 MPa高压环境下剪切稀化非牛顿直角撞击射流的三维非定常雾化特征、机理及非牛顿特性进行了研究。结果表明：高压环境下该撞击射流的雾化流场呈圆形辐射状分布并形成Mushroom头部和Ω状的局部凸起,气体中的涡量分布表现为有序贴附区和无序爆炸区两类,液膜向液丝的破碎主要受平均气体力和平均黏性力作用影响,而液丝向液滴的破碎则主要受局部流场参数影响,撞击雾化过程中液体无量纲表面积不断增长并可分为5个阶段。此外,撞击射流头部在局部强剪切力作用下其无量纲黏性系数最低降至仅0.7。     

490N发动机身部局部燃气泄漏时工作状况试验分析

为了研究身部局部燃气泄漏对490N发动机工作性能及结构的影响,为在轨故障问题分析提供依据,采用490N发动机缩比件在模拟真空环境下研究喷管扩张段泄漏孔的影响,采用490N发动机在大气环境下研究燃烧室身部泄漏孔的影响。通过试验,获得了泄漏孔的扩展情况、带有泄漏孔的发动机的真空推力、燃烧室压力等试验数据。研究结果表明：在试验条件下,490N发动机喉部出现泄漏孔后,燃烧室压力下降6.9%,与喉部上游泄漏孔面积占比6.3%相当,燃烧室压力不发生明显波动,发动机仍可以输出推力;泄漏孔沿周向基本无变化,沿轴向往喉部下游,扩展速率先增大后减小,分别为0mm/s、0.588mm/s、0.142mm/s、0.067mm/s。490N发动机缩比件身部面积比14的位置处出现面积占比0.93%的泄漏孔后,发动机在一段时间内推力输出保持稳定,泄漏孔面积占比与泄漏后推力减小比例0.95%相当,且泄漏孔未发生扩展;该结果有效验证了在轨490N发动机身部面积比64的位置处出现面积占比3.2%泄漏孔后发动机在643s内维持推力稳定输出的可能性,且输出推力减小比例为3%。     

电弧风洞上的翼前缘烧蚀试验

介绍在CAAA的FD04电孤风洞上进行的翼前缘防热材料烧蚀试验结果.试验模型由高温陶瓷制成,后掠角53°,高75 mm,长55 mm,前缘半径2 mm,对称截面半锥角为5°.试验设备包括20 MW电弧加热器、混合室、矩形超声速喷管、试验段、轨道模拟系统及真空系统等.使用的矩形超声速喷管的马赫数为3.6,以3个台阶的轨道模拟翼前缘热环境,试验时间为77.0 s.试验结果表明高温陶瓷具有优良的抗烧蚀性能,两件试验模型在试验过程中均未出现破损现象,试验还得到了翼前缘模型试验过程中的内部温度响应.     

空间站核心舱的全频域声振环境仿真预示研究

空间站的设备功率大、噪声源数目多、声振环境特性复杂,为确保舱段噪声指标满足要求,基于声学有限元、统计能量分析以及FE-SEA混合方法,建立了整舱全频段的复杂声振耦合精细化噪声仿真模型。对环控、热控及推进分系统等多种噪声源单独工作或同时工作时密封舱内的噪声进行仿真,得到了舱内全频域噪声水平特性分布,并对现有吸声降噪措施进行了对比评价。研究结果表明:目前设计状态下,三个睡眠区、小柱段工作通道和大柱段工作通道总的声压级在个别频率点处略微偏高,是后续噪声控制的重点。     

脱水污泥真空干燥实验研究

利用自制的小型实验台对真空状态下污泥的干燥特性进行了实验研究。分别在三种温度(90℃、105℃、120℃)、不同真空度(0.02MPa、0.04MPa、0.06MPa、0.08MPa)和大气压下,柱状污泥(Φ=6mm,L=40mm)样品进行实验研究。实验数据分析表明:污泥真空干燥过程中没有恒速干燥期,这与水果干燥过程有所不同。     

空间遥操作分段自适应碰撞预警方法

目前空间遥操作碰撞预警机制并未考虑遥操作任务的阶段性特点,操作的快速性与精细性难以兼顾。针对这一现状,提出了空间遥操作分段自适应碰撞预警方法。通过计算机械手末端与操作目标之间的相对距离,将遥操作任务划分为自由接近、精细调整和操作控制三个阶段,分阶段自适应调整碰撞检测策略和操作比例系数,并通过直观的预警视觉信息,使得遥操作员实时感知任务阶段。目标逼近试验表明:在自由接近段,随着对目标的逼近,操作速度从7.46mm/s逐渐减小为4.41mm/s,关节运动和相对位置的抖动较大;在精细调整段,操作速度为3.98mm/s,关节运动和相对位置的抖动较小。因此,该分段自适应碰撞预警方法有效克服了操作快速性与精细性的矛盾,适合于未来更为精细、复杂的空间遥操作任务。     

基于k-ωSST模型的同心筒发射装置流场数值模拟

围绕同心筒发射装置流场数值模拟及结构优化展开研究,流场数值模拟基于轴对称Navier-Stokes(N-S)方程、k-ω shear stress transfer(SST)湍流模型,并运用域动分层动网格方法,以同心筒初始方案为参照,研究了同心筒发射过程的动态流场,在此基础上,分别对内筒收敛段的收敛角度以及筒口扩张段的扩张角度进行了优化研究,研究结果表明:内筒收敛段使得燃气排导更为通畅,筒内的热环境有所改善,并且内筒收敛段起到了一定的防喷作用,收敛角越大,筒底热环境越好;筒口扩张段对发射过程动态流场也有明显影响,收敛角为15°,扩张角为20°时,导弹从开始发射到完全出筒过程中热环境最为良好。      

真空条件下液滴闪蒸的非均温建模与分析

为深入揭示液滴在真空环境下的闪蒸机理,建立了真空闪蒸全过程、非均温的传热传质数学模型,获得了各时刻液滴温度场及半径,并能够追踪结冰阶段的相变界面位置.通过开展液滴闪蒸的实验研究,观察了相变前后液滴的形态变化,并对数值模型进行了验证.基于数学模型,研究了液滴初始半径、初始温度、真空舱压力和结冰过冷度对闪蒸过程的影响规律.结果表明:真空舱压力是影响闪蒸过程的主要因素,且会影响最终平衡温度;初始半径主要影响预冷和冻结时间,而初始温度和结冰过冷度主要只影响预冷时间.      

二次启动前火箭发动机泵构件温度特性数值计算

用数值计算的方法研究了液体火箭发动机在二次启动前，发动机泵系统各构件的温度特性和泵腔含汽率。建立了基于集总参数法的发动机启动前排放过程中涡轮、泵及进口管的温度变化计算模型。排放冷却过程中冷却剂N2O4的单相强制对流换热系数用Dittus-Boelter公式计算，流动沸腾换热系数采用Shan M M强化模型。并对某液体火箭发动机二次启动前排放过程涡轮泵系统各构件温度变化和泵腔含汽率进行了计算，模型计算结果与试车数据吻合良好，研究结果表明，二次启动前的主动排放过程对泵壳体及进口管的冷却效果很好。     

启动过程压缩空气储能向心涡轮三维流动特性研究

为研究压缩空气储能系统的向心涡轮启动过程内部流动损失特性，本文采用全三维计算流体动力学（CFD）模型对其启动过程过程进行了数值模拟，与实验结果对比表明，虽然该模型在启动初始阶段与转速稳定阶段存在一定误差，但仍能够整体上反映启动过程的效率变化特征。在此基础上，进一步分析了启动过程中动叶通道内损失区及流场变化特征，结果发现，动叶进口攻角是影响内部流场主要因素：在启动初始阶段，叶轮进口攻角较大，动叶载荷集中在叶片前缘，形成明显的通道分离涡与前缘涡；在快速启动段，攻角减小，动叶载荷沿弦长分布更为均匀，通道分离涡及前缘涡逐渐减小并向叶片吸力面迁移。在整个启动阶段，动叶通道内高损失区也随着通道分离涡逐渐迁移且变小，并向相邻叶片吸力面集中。     

基于自回归模型的自适应阈值算法

提出一种基于自回归模型的自适应阈值检测算法用于监测液体火箭发动机地面试验的稳态过程,该算法由两个阶段组成。第一阶段的检测算法阈值由不同试车台次的稳态参数测量值的自回归模型的估计值、标准偏差和带宽系数计算,第二阶段的检测算法阈值由稳态过程的参数均值的自回归模型的估计值、标准偏差和带宽系数计算。用某大型液体火箭发动机的地面试验数据进行验证,结果表明该算法能有效可靠地监测发动机的运行状态。      

空间变过载下液氢输送管内气泡动力学特性仿真研究

针对火箭发动机空间二次点火前上面级燃料系统必须将输送管内气泡排空的需求,以处于空间环境的液氢输送管为对象,借助CFD仿真手段研究了管内气泡的生成与分布规律,对比分析了小过载正推、小流量排放下管内两相流瞬态特性。研究表明:微重力下管内小气泡将合并,形成尺度与管径相近的大气泡;提供小过载正推后,大气泡可能破碎形成小气泡,并从管路顶端溢出;输送管内气泡完全排出时间与管内初始含气率关系不大,主要受过载水平的影响;存在临界过载加速度,当所加载的加速度小于该临界值,气泡无法排出;液体小流量排放时,管内气泡在液流惯性推动与冷凝湮灭两种机制下排出。