不同稀释气体下等离子体辅助甲烷点火

等离子体由于可以同时在燃料反应中增加化学效应与热效应,有望成为辅助点火的有效技术途径。构建了基于激波管的等离子体辅助甲烷点火实验系统,测量了甲烷自点火、持续放电以及放电后断电条件下的点火延迟时间,分析了不同稀释气体下等离子体对甲烷点火延迟的缩短效果。构建了等离子体发射光谱测量系统,测量了放电单元中的发射光谱。在实验条件下,点火温度越高,持续放电下活性粒子的浓度越高。较小的放电功率(4 W)即可将甲烷的点火延迟时间缩短30%~95%。稀释气体为Ar时,等离子体在点火温度小于1 000 K或大于1 400 K时对甲烷点火延迟时间缩短作用更好。稀释气体为N2时,随着点火温度的升高,等离子体对甲烷点火延迟时间作用效果随之降低。     

新颖机动变轨化学火箭发动机头部研究

为研究轻型、可靠、环保的空间站机动变轨发动机,在氢/氧液体火箭发动机头部设计中引入了新型气动谐振点火技术.结合发动机推力室设计以及同轴氢氧谐振点火器研究,确定了用富燃的谐振点火火炬与剩余主体氧气再燃烧的发动机头部整体方案.通过对几种主氧喷嘴下发动机头部结构方案研究,选定了主氧喷嘴结构形式.针对发动机要求快速起动、点火响应时间短的关键技术,提出了几种研究实现途径,包括谐振加热装置的结构形式优化、参数匹配优化、材料改进以及点火组元进入时序研究等,以提高气动谐振装置的加热速度及点火能量集聚效率,最终实现了发动机起动时间达到0.2?s以内.     

氢氧谐振点火器多室同步点火研究

将气动谐振点火技术应用于塞式喷管发动机多推力室的多次同步点火,研制了新型的氢氧谐振点火器. 通过对点火器的点火响应时间、点火延迟时间、多次点火的重复性以及点火器寿命等方面进行试验研究,验证了新研制的点火器具有起动快、点火延迟时间短、多次点火重复性好、寿命长等特点.采用2个点火器联试的方式进行了5次同步点火试验,研究了连接管路对同步性的影响,并提出了进一步缩短同步性时差的方法,结果表明氢氧谐振点火器完全可以满足塞式喷管发动机多推力室同步点火的要求.     

SJ-10卫星固体材料燃烧实验装置

为对微重力条件下固体材料着火和火焰传播特性进行研究,研制了实践十号（SJ-10）卫星固体材料燃烧实验装置.利用空间高真空条件,采用实验段内气体环境更新和控制技术,实现了在有限实验空间内对多个实验样品进行研究,并提供准确可控的实验环境条件（氧气浓度和气流速度）.通过地面试验验证,该装置可通过实验样品、氧气浓度、气流速度、点火方式等实验参数的灵活组合,实现空间实验机会的充分利用和预定科学目标.      

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

基于凹槽火焰稳定器的煤油超声速燃烧试验

在直联式超声速燃烧试验台上进行了煤油的超声速燃烧试验,使用了4种不同结构的凹槽火焰稳定器和多种直径的煤油喷嘴,煤油当量比0.24~1.32,引导氢当量比0.53,在多种工况下均实现了煤油的成功点火和稳定燃烧.通过测量燃烧室壁面静压分布比较不同工况下煤油燃烧性能.研究发现:凹槽结构对煤油的点火性能影响较大,较大的凹槽长深比更有利于煤油的点火,部分凹槽能在无引导氢条件下实现煤油自燃点火;试验中使用的4种凹槽均有较好的火焰稳定效果,煤油燃烧时燃烧室壁面压力平稳;煤油当量比是影响煤油燃烧性能的最主要因素.在煤油当量比相同的条件下,较高的喷注压力能够提高煤油的燃烧性能.      

气氧酒精多管点火器试验研究

多管同步点火是塞式喷管的一项关键技术,介绍了气氧酒精多管点火器的设计和试验情况.研究了推进剂的混合比、点火器的工作时间、燃气导管的材料和几何尺寸、点火器的冷却方式,以及补氧燃烧措施对多管点火性能的影响,同时对高空情况下的点火方法进行了初步探讨.最后确定了多管点火器的工作参数,实现了可靠的多管同步点火.      

实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.      

中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验

中国空间站燃烧科学实验系统是用于开展微重力燃烧实验研究的综合性科学实验平台，可以实现燃烧流场测量。为了验证燃烧科学实验系统粒子图像测速(PIV)单元对燃烧流场测量的功能与可行性，本文基于与在轨状态一致的连续激光器和相机的空间布局，搭建了地面层流圆孔射流试验平台，选取Al₂O_3，TiO_2，ZrO₂三种示踪粒子进行冷态试验与热态试验。试验结果表明，自主研制Nd∶YVO₄泵浦连续激光器偏光角度合适，能照亮被测流场主流区域，燃烧科学实验系统PIV单元可用于低速燃烧流场测量；相同工况下，Al₂O₃粒子在冷态试验测量的速度值更接近于理论值，速度幅值比更接近1，更适用于低速流体测量。      

三相线钉扎的大液滴蒸发实验

利用实践十号返回式科学实验卫星蒸发对流箱,开展了三相线处于钉扎状态且接触半径大于毛细长度的无水乙醇大滴在加热PTFE表面蒸发的地基科学实验.实验发现,液滴体积随时间线性递减,但钉扎大液滴蒸发过程中没有出现恒定接触角(CCA)阶段.与小液滴蒸发的恒定接触半径(CCR)阶段相同,大液滴的平均蒸发速率也与初始体积无关,表明受...     

等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响

为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。     

丝束同轴冷阴极电子束熔丝特性及TC4成形组织

针对热阴极电子束轴侧熔丝与丝束同轴冷阴极电子束熔丝方法的特点进行分析，研究了丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造熔滴过渡特点及获得滴状过渡和搭桥过渡方式需要满足的条件。采用直径2 mm的TC4钛合金丝材制备出丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造的钛合金试样，对其微观组织进行分析，结果表明:与常规热阴极电子束轴侧熔丝成形的工艺相比，丝束同轴冷阴极电子束熔丝成形试样的组织表现为等轴晶与柱状晶层层交替叠加的状态，柱状晶与等轴晶尺寸明显减小，表明成形试样的晶粒细化，力学性能得到提高。      

电离层电场对磁层活动响应时延的模式研究

本文用极盖边界上电离层驱动电位φ₀随时间变化的不同模式计算了场向电流J_∥2及电离层对流电场E的演化过程。计算表明,当φ₀(t)先升后降有极大值时,J_∥2(t)和E(t)也表现出类似的趋势。但它们的极值滞后于φ_0max出现的时刻,即在一段时间内,φ₀虽已开始下降,J_∥2及高纬E却继续增大。一般说,E先于J_∥2达到极值,但相差甚小。φ₀变化形式不同时,滞后时间亦不同。当φ₀陡升缓降时,E、J_∥2的极值相对于φ_0max的时延可超过一小时。这与持续时间较长的磁暴期间所观测到的电离层场强响应时延量级是一致的。时延大小还受电离层电导率的制约。低纬电离层场强的响应与高纬不同,其升降趋势与φ₀同步。      

双支板超燃冲压发动机燃烧特性研究

为研究分级喷注超燃冲压发动机火焰稳定、燃烧状态及火焰传播特性,以双支板超燃燃烧室为基本构型,开展了当量比连续调节试验研究。模拟低飞行马赫数5.5工况,燃烧室入口马赫数为2,总温1436 K,试验表明:燃烧室单独上游喷注熄火当量比为0.19,该值不受下游燃烧的影响;单独下游喷注熄火当量比为0.46,上游火焰会削弱下游当量比变化对壁面压力的影响,并且会使下游熄火当量比值降低。通过调节上游当量比可实现燃烧状态的转换,转换过程存在迟滞。模拟高飞行马赫数6.5工况,燃烧室入口马赫数为3,总温1 899 K,试验表明:随着总温的增加,单独上游喷注可实现点火和稳焰,上游火焰发生抬举,燃烧室抗反压能力增强,可喷注更多燃料。     

微重力下层流扩散火焰碳烟生成过程

根据详细的燃料氧化机理和多环芳烃生成机理，对乙烯同轴射流火焰在重力变化下碳烟生成情况进行计算.认为碳烟的初始成核是由两个较大的多环芳烃（PAH）二聚而成，碳烟的表面生长机理为HACA，凝结过程主要考虑PAH与碳烟的碰撞吸附，碳烟生长和氧化过程耦合在分节气溶胶模型中.计算结果表明，微重力条件下乙烯同轴射流火焰峰值温度下降230K，碳烟浓度显著增加，且浓度峰值在微重力条件下更加偏离中心线.分析重力变化对碳烟前驱体乙炔和多环芳烃的分布、初始成核速率、表面生长速率及凝结速率的影响.结果表明碳烟在中心轴线上主要是通过凝结过程生成的，且微重力条件下PAH在碳烟表面的凝结更加重要.由于微重力条件下停留时间更长，导致碳烟直径更大.      

Neutral upper atmospheres of Venus and Mars

Numerous measurements of the neutral upper atmosphere above 100 km have been made from spacecraft over Venus and over Mars. The Venus exospheric temperatures are unexpectedly low (less than 300°K near noon and less than 130°K near midnight). These very low temperatures may be partially caused by collisional excitation of CO₂ vibrational states by atomic oxygen and partially by eddy cooling. The Venus atmosphere is unexpectedly insensitive to solar EUV variability. On the other hand, the Martian dayside exospheric temperature varies from 150°K to 400°K over the 11-year solar cycle, where CO₂ 15-μm cooling may be less effective because of lower atomic oxygen mixing ratios. On Venus, temperature increases with altitude on the dayside (thermosphere), but decreases with altitude from 100 to 150 km on the nightside (cryosphere). However, dayside Martian temperatures near solar minimum for maximum planet-sun distance and low solar activity are essentially isothermal from 40 km to 200 km. During high solar activity, the thermospheric temperatures of Mars sharply increase. The Venus neutral upper atmosphere contains CO₂, O, CO, C, N₂, N, He, H, D and hot nonthermal H, O, C, and N, while the dayside Mars neutral upper atmosphere contains CO₂, O, O₂, CO, C, N₂, He, H, and Ar. There is evidence on Venus for inhibited day-to-night transport as well as superrotation of the upper atmosphere. Both atmospheres have substantial wave activity. Various theoretical models used to interpret the planetary atmospheric data are discussed.     

基于释热率分析的钝体贫油熄火过程分析

针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程，采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法，研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况，定量分析熄火判据。结果表明:冷态速度模拟结果和实验的相对均方根误差在10%以内，热态误差在20%以内；释热率是否出现在OH和CH₂O重叠的区域，是判断熄火的一个重要参数；远离熄火时，释热率高的区域主要沿内侧剪切层出现；近熄火工况下，释热率在流向轴上闭合，回流区下游也出现较大的释热率；熄火点工况下，较大释热率的区域在回流区下游和上游均有出现；模拟预测的熄火情况和实验PLIF结果一致；平均释热率可作为判断熄火的定量依据，即当钝体后方0.2d处内侧剪切层平均释热率与回流区平均释热率的比值小于4时，发生熄火。