碘工质电推进技术研究综述

深空探测任务和微小卫星的迅速发展给电推进系统提出了新的要求,碘工质由于其价格较低,便于存储等优点得到了广泛应用。概述了碘工质在电推进技术的应用现状,介绍了碘工质作为电推进剂在发射成本与存储方面的优势,分析了碘工质的物理,化学,放电特性,为碘工质电推进系统设计及性能优化提供指导,在此基础上分析了碘工质储供系统,真空系统和阴极设计方面所面临的问题及解决思路,列举了目前国际上报道的碘工质电推力器的性能参数。进行了碘工质会切场推力器点火实验,实验结果发现碘工质与氙工质在相同实验条件下放电电流类似,而且100min的实验结果显示碘工质对阳极及推力器通道的腐蚀并不明显。     

超临界压力下航空煤油在并联管中流量分配特性

研究了超临界压力下国产航空煤油RP-3在竖直并联U型管中的流量分配特性,分析了工质温度、系统压力以及加热热流密度不对称性对流量分配特性的影响规律.其中实验段内、外径分别为1.8mm和2.2mm, 实验中质量流量保持为4g/s,系统压力变化范围为3~5MPa,热流密度变化范围为q=60~240kW/m2. 实验结果表明:较低系统压力下,等热流密度加热至管路油温达到拟临界温度附近时会诱发支管流量的较大变化,从而导致并联管系统各支路流量的重新分配;加热不均对支路流量的影响非常显著;另外,提高系统压力可以有效抑制并联管系统中各支路流量分配失衡,增强系统的稳定性.      

微电推进贮供系统开发与系统级仿真研究

针对传统电推进贮供系统应用于微小卫星任务时重量和体积庞大的问题,提出一套小型化、轻质化、低成本的微电推进贮供系统设计方案并进行了开发工作。采用聚醚醚酮复合材料（PEEK）制作的毛细管替代金属毛细管用于微流量控制,以氪气为工质进行试验,验证了其能够在±1%控制精度内实现0.0291～0.4145 mg/s的稳定流量输出。本文在Amesim中构建系统级一维瞬变模型,进行微电推进贮供系统仿真,并与试验结果对比验证模型的有效性与准确性。对仿真结果进一步分析阐述了系统从启动到稳定工作过程中压强超调、稳定段流量波动等工作特性以及减压器弹簧及膜片刚度、毛细管内径等关键参数的影响规律,通过对各部件热力状态参数动态变化的分析揭示了工质气体向下游供给过程中流动、传热与控制耦合作用的物理机制。     

基于自动铺放成型的红外加热系统研究

通过与传统的热风加热技术对比并参照国外相关研究,采用红外加热替代热风加热,根据稳态下自动铺放成型的红外加热数学模型,基于自动铺带机的硬件结构,通过采用前馈控制方式、制定相应的控制策略,搭建了以速度为变量、温度为控制量、可编程控制器为控制核心的红外加热温度自动控制系统.实验结果表明:使用红外加热恒温自动控制系统成型的复合...     

射流预冷不同因素对涡扇发动机性能的影响

为了研究射流预冷下涡扇发动机的性能以及稳定性表现，分别考虑射流预冷导致的进气道掺混换热、截面工质热物理性质的修正以及部件特性修正这三种因素，对涡扇发动机的稳态性能进行了数值模拟。计算结果表明：射流预冷下发动机推力的大幅增长来自于进气流量的增加，其中掺混换热是引起进气流量增加的直接因素，而工质热物理性质和部件特性的变化则导致发动机的推力下降，高水气比下，受进气流量增加的影响，射流预冷仍能大范围的提高发动机的推力水平。进气道掺混换热使得风扇更为逼近喘振点，而随着水气比的增加，风扇和高压压气机的稳定性均有所回升。     

10微克级液体脉冲等离子体推力器供给系统研究

用水作为脉冲等离子体推力器(PPT)的推进剂是改进其性能的新思路,可以有效提高比冲、防止滞后烧蚀以及降低污染。但微量推进剂供给系统是实现液体脉冲等离子体推力器(LP-PPT)的前提条件,也是LP-PPT的难点。为此,先介绍了现有的LP-PPT供给方式,并分析各种供给方式的优缺点;以有机材料软木为渗透介质,研制了多段渗透式水推进剂供给系统;在理论分析供给原理的基础上,设计了两套供给量测量方案,并开展了相应的测量实验;将供给系统安装于PPT样机本体,开展了性能测试实验。结果表明三段结构供给系统供给量为21.76μg/s,满足LP-PPT样机的供给量需求。最终获得LP-PPT实验样机元冲量82.998μN·s,比冲194.6s,效率2.47%。     

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统设计与性能分析

为有效解决在日蚀区太阳能热推进器推力失效、电力中断的问题,提出了蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统结构,并对系统各部件建立相关物理数学模型,分析了工质种类、工质流量等因素对推进性能的影响。结果表明,为保证推进器在日蚀区30min内持续提供推力和电力供应,砷化镓热光伏电池在无工质工况下能提供10W左右的低功率电力供应,在设计工况下能提供50W～110W的电力供应;液氢作为工质时,最大比冲将达到806s,随着工质流量的持续增加,比冲损失速率呈现先加快后减慢的变化趋势;液氨作为替代工质具有更快的加热速率,其比冲为240s～300s远低于氢工质比冲,其推力系数1.77要略高于氢工质推力系数1.7。通过本文研究,蓄热式太阳能双模推进系统具有较好的可行性,且推力及比冲适中,有望弥补低比冲化学推进和小推力电推进技术的不足。     

双工况流量调节阀的设计与试验

介绍了一种双工况流量调节阀的原理与设计方法,利用上游贮箱压力作为控制气调节阀芯位移,控制阀门开启与工况调节,实现飞行用挤压式供给系统的启动以及流量快速调节.分析了阀门关键设计参数:敏感元件外径、弹簧刚度和初始压缩量对阀芯位移的影响;通过试验验证了阀门的压降损失在2种工况下能分别保持固定值;对采用该阀门的供给系统进行了试验,试验中阀门开启迅速,成功实现了氧化剂供给系统的流量调节,其中第1工况阶段流量约4.5kg/s,第2工况阶段流量为2.0kg/s,工况转换较迅速,达到了预期值,这说明阀门的原理和设计方法是可行的.      

氪气工质霍尔推力器束聚焦特性研究

以研究氪气替代氙气作为霍尔推力器工质时,等离子体束发散程度大等束聚焦特性问题为目的,通过以霍尔推力器磁场参数、放电电压和阳极工质流量分别作为单一变量进行实验研究,考察其对推力器等离子体束聚焦影响情况。使用HET-P70霍尔推力器进行相关实验,通过改变磁场参数来研究磁场位形对氪气工质推力器性能的影响,最终发现合适磁场位形形成的磁聚焦状态,即实验一中的工况3,可以使羽流发散角达到11.5°,此时推力器放电电压在400V,阳极工质流量3mg/s。另外,通过实验二和实验三,考察阳极工质流量和放电电压对氪等离子体束聚焦的影响机理,发现两个放电参数的变化主要改变了中性气体主电离区位置,进而影响等离子体束聚焦状态。电离位置在设定工况下外移9%,会使得羽流发散半角增大约12°。所以,磁场位形和中性气体的电离位置是影响氪等离子体束聚焦的重要因素,在对氪气霍尔推力器进行设计优化时应予重点考虑。     

倾斜管内自然对流沸腾临界热流密度的研究

用实验方法对浸没在饱和液体中的倾斜加热细管内的自然对流沸腾临界热流密度进行了研究,考察了管径,管长,倾斜角和工质对临界热流密度的影响。实验条件是:管内径从0.9mm到8mm;管长从100mm到400mm;倾斜角从90°到30°。实验工质使用了水和R-11两种液体。本研究中考虑倾斜角对重力的影响,对作者过去提出的用于预示垂直加热管内自然对流沸腾临界热流密度的半理论半经验式进行了修正,修正后的公式能较好的预示本实验结果。      

基于自适应神经模糊推理算法的无人机电推进燃料电池供气系统性能优化

本文针对某无人机基于聚合物交换膜燃料电池和锂离子电池的混合动力电推进系统的应用,研究开发了一种基于自适应神经模糊推理系统的电源管理系统控制技术,以控制混合动力电力推进系统,同时优化燃料电池供气系统的性能。本文以所建立的某无人机混合电推进系统数学模型为研究对象,研究了燃料电池电流与燃料电池供气系统压缩机功率之间的关系,建立了燃料电池电流与最佳压缩机功率关系的参考模型。在参考模型的基础上,引入自适应控制器来优化燃料电池供气系统的性能。基于自适应神经模糊推理系统的控制器将压缩机的实际运行功率动态调整到参考模型中定义的最佳值。自适应控制器的在线学习和训练能力用来辨识燃料电池电流的非线性变化,并产生压缩机电机电压的控制信号,以优化燃料电池供气系统的性能。在Matlab 仿真环境中开发了质子交换膜燃料电池和锂离子混合动力电推进系统模型并对所设计的控制器进行了仿真分析,结果表明基于自适应神经模糊推理系统的控制器为燃料电池供气系统压缩机性能优化提供了一种新颖而全面的途径,使燃料电池供气系统获得最大净功率输出。将燃料电池系统的净功率输出与最佳压缩机功率和恒定压缩机功率进行了比较,结果表明优化的压缩机功率配置比恒定的压缩机功率配置节能2.62%。同时,燃料电池自适应神经模糊推理系统控制器优化了燃料电池供气系统的能量利用。     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

混合小推力航天器轨道保持高性能滑模控制

针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器，研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题，以及进一步提高系统控制性能，设计了一种高性能滑模控制策略。首先，考虑模型不确定性，建立了混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱面坐标系的动力学方程；其次，基于改进型条件积分滑模面和径向基（RBF）神经网络设计了控制律，结合自适应方法在线估计不确定参数；接着，将求取的虚拟控制量在推进剂最优条件下转换成实际控制量，即太阳帆姿态角和太阳电推进力；最后，数值仿真验证了上述设计方法提高了系统鲁棒性，减小了轨道位置超调，并且混合推进相比于单一太阳帆推进，在更短收敛时间内控制精度提高了4个数量级，相比于单一太阳电推进，一年可以节省约89.6%的推进剂。     

Performance enhancement using power beaming for electric propulsionEarth orbital transporters

Power requirements for an electric propulsion Earth orbital transport vehicle (EOTV), which can effectively deliver large payloads using much less propellant than chemical transfer methods, are addressed. The power beaming concept is described. Arcjets, magnetoplasmadynamic (MPD) thrusters, and ion engines are covered. Power supply characteristics are discussed for nuclear, solar and power-beaming systems. Operational characteristics are given for each, as are the effects of the power supply alternative on the overall craft performance. Because of its modular nature, the power beaming can meet the power requirements of all three electric propulsion types. Commonality of approach allows different electric propulsion approaches to be powered by means of a single power supply approach. Power beaming exhibits better flexibility and performance than onboard nuclear or solar power systems     

Streamwise vortex generation by the rod

The technology development related to aerodynamics is leading to ever increasing loads of wings, airfoils and turbine and compressor blades. The increase in aerodynamic forces is often leading to flow separation and depreciation of the aerodynamic performance of flying objects or propulsion systems. Flow control methods are required to avoid these negative effects. In the recent two decades the flow control by means of air-jet vortex generators has been also intensively investigated. In this method a streamwise vortex is introduced by an oblique jet. The necessity to supply air by a pipe system may be considered a disadvantage. In order to eliminate this feature, it has been proposed to put out a rod instead of a jet. It has been shown that the application of a rod can introduce the same effect as a jet, as long as the streamwise vortex generation is concerned and appropriate dimensions are used. The present paper focuses on the influence of rod vortex generators on a flow pattern downstream. The results presented here concern experimental and numerical investigations and provide guidelines for the design of a new flow control method dedicated mainly to external flows.     

突风气象条件下电动飞机电推进系统 PI控制参数的设定方法

电动飞机电推进系统采用高效永磁同步电机作为主驱动,配备矢量控制器。飞机在巡航过程中不可避免地会遭遇突风,影响飞机的稳定飞行。通过建立电动飞机在巡航阶段遭遇突风时的空气动力学模型和电推进系统的动态响应数学模型,并对模型进行求解,给出了突风气象条件下电推进系统速度PI控制参数的设定方法。以某双座电动飞机的电推进系统为研究对象,采用MATLAB仿真和样机地面试验对速度PI控制进行了仿真分析和试验测试,对比了未考虑和考虑突风气象条件下的速度PI控制器的动态特性。仿真和样机试验结果表明:当飞机遭遇突风时,采用考虑突风气象条件的速度PI控制参数可以有效地降低螺旋桨的转速波动范围。     

Numerical modeling of spacecraft electric propulsion thrusters

There is a clear current trend towards the replacement of small chemical thrusters used for spacecraft control by electric propulsion thrusters. These thrusters use a variety of mechanisms to convert electrical power into thrust and, in general, provide superior specific impulse in comparison to chemical systems. Electric propulsion has been under development for the last 40 yr, and almost all thrusters are designed based on experience and experimentation. The present article considers the progress made in numerical simulation of electric propulsion thrusters. Due to the wide range of such devices, attention is restricted to electric propulsion thruster types that are presently in use by orbiting spacecraft. The physical regimes created in these thrusters indicate that a variety of numerical methods is required for accurate numerical simulation ranging from continuum formulations to kinetic approaches. Successes of numerical simulation models are demonstrated through specific examples. It is concluded that numerical simulations can be expected to play a more prominent role in the design and evolution of future electric propulsion thrusters.