某发动机喷管周围流场研究

运用Fluent流体动力学软件,采用结构化网格和RNG k-ε湍流模型研究了热试车条件下,某带高温隔热屏发动机喷管周围及隔热屏上温度场的分布,计算结果与试验结果吻合较好.研究结果表明：推进系统热试车条件下,高温隔热屏各组成部分温度均在各自耐受温度以内;高温隔热屏能有效地将发动机羽流的对流及辐射进行隔离,避免高温燃气对发动机周围的推进系统组件进行再加热.     

基于羽流效应分析的航天器发动机布局设计研究

为解决由航天器姿控发动机等带来的羽流热效应问题,文章通过仿真得到了在不同的发动机布局下航天器表面的羽流热流密度分布情况,通过增大发动机的推力线角度和安装点高度,可以使得发动机羽流核心区远离航天器表面,从而降低喷流对航天器表面的加热效应。综合考虑控制力矩及推力损失、布局包络和发动机支架设计等因素,对某航天器发动机布局进行了优化设计及羽流热防护设计。     

姿控发动机热防护研究

经分析,某运载火箭定向姿控发动机所在环境的主要热源为游机喷管辐射、游机燃气羽流辐射、涡轮废气管辐射等。计算得出各受热危险部位所接受的辐射热流,依据热流值提出了对辐射热流较大的地方采取隔热材料包覆的热防护方案,并对热防护方案进行数值仿真和试验验证,试验值与仿真结果接近。     

"嫦娥五号"月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术

"嫦娥五号"月球探测器在着陆时要承受相当大的着陆冲击载荷,一般采用大推力器来降低其着陆速度。推力器附近的隔热组件由于受到辐射和羽流的综合影响,其温度会在140 s内达到1000℃左右。文章利用在真空条件下红外加热的方法,采用非线性变增益PID控制器对隔热组件进行温度控制,以模拟发动机工作的温度边界条件。为此,研究了红外灯加热器的动态特性和高精度快速温度控制算法,并在真空容器内搭建高温模拟与控制系统,进行了该模拟方法的试验测试及验证。研究结果表明:对于970℃的目标温度,控制算法使隔热组件温度达到稳定状态的时间为135 s,超调量为0.5℃,在实际试验中取得良好的控制效果。     

固体火箭羽流红外特性的DOM法模拟及高度影响研究

为研究固体火箭羽流的红外特性,建立了贴体坐标系下,考虑气相和Al2O3凝相温度不相等及Al2O3粒子直径变化情况下,计算固体火箭羽流红外特性的方法——离散坐标法(DOM)。计算了光谱2~5μ范围内,某固体火箭发动机在地面及不同飞行高度下羽流的红外特性,研究了飞行高度对羽流红外特性的影响。研究表明:在固体火箭羽流的红外辐射中,粒子辐射起着主导性的作用,粒子辐射在不同的波带对固体火箭羽流辐射的影响有所不同;在高度30~60km范围内,固体火箭羽流在光谱2~5μm沿表面外法线方向的辐射强度随飞行高度的上升而增强。     

大推力发动机高温隔热屏设计及优化研究

以卫星用大推力发动机高温隔热屏为研究对象,根据传热机理建立了其瞬态传热模型。对不同边界温度条件下高温隔热屏的瞬态传热过程进行数值仿真,且经对比,仿真计算出的隔热屏温度值与试验结果吻合良好,验证了模型的准确性和适用性。利用该模型设计了某卫星高温隔热屏,并分析了隔热屏覆盖层发射率、反射屏发射率、比热容等对隔热屏瞬态隔热性能的影响。研究结果为隔热屏的设计和优化提供了依据。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

具有复杂围护结构光学窗口的传热特性分析

针对具有复杂围护结构光学窗口传热特性,建立了高热流作用下的光学窗口及其复杂围护结构的辐射-导热传热模型,分别讨论了窗口的辐射半透明、光谱选择性、外部加热热流以及窗口尺寸对其瞬态温度响应的影响。结果表明,忽略窗口半透明特征会产生最大31.4%误差,忽略光谱选择性会产生最大40.4%误差;窗口外部气动加热热流影响显著,温度响应随热流的增大而急剧增大;窗口厚度对其传热特性的影响较大,随着厚度的增大窗口温度响应减小;而窗口半径产生的影响可忽略不计。     

PWS软件应用于探月着陆器羽流效应 数值模拟研究

文章使用自行开发的PWS计算软件就探月着陆器主发动机羽流对着陆缓冲机构产生的气动力和对流换热热效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法的羽流计算通用软件,其松散的软件架构保证了各个计算模块的相对独立性,使用“与”、“或”逻辑法则的二级构造法来实现边界条件的通用性。软件的计算值与国外CUBRC实验测量值符合得很好。使用PWS软件对着陆器主发动机羽流进行数值模拟计算表明着陆缓冲机构所受的羽流气动压强最大达到2.4 Pa;缓冲机构底盘侧面的对流换热热流密度最大达到2 000 W/m2;当缓冲机构壁面温度从300 K增加到500 K时,其表面对流换热流密度值有所下降,其最大下降值不到5%。     

航天器姿控发动机真空羽流场计算及其扰动分析

航天器姿态控制发动机工作期间,产生的羽流扰动力矩会影响控制精度,对流和辐射产生的热效应会影响热控系统工作,羽流沉积物会影响光学敏感器的精度。文章以某航天器的20 N姿控发动机为例,首先采用工程的MOC方法计算其真空羽流场;然后利用建立的航天器羽流三维冲击模型分析了羽流对太阳电池阵的冲击载荷;最后对发动机羽流脉冲激励下太阳电池阵的响应和姿态控制系统受到的扰动力矩进行了仿真分析。结果表明姿控发动机羽流脉冲激励将对控制精度和稳定度产生不可忽视的影响。     

低空多喷管发动机喷焰红外特性研究

对多喷管火箭发动机低空尾焰的红外辐射特性进行了研究.基于热流法建立了喷焰红外传输计算模型,数值模拟了四喷管发动机尾流场2～5 μm光谱的红外特性.获得了光谱、波段辐射强度仿真数据及红外仿真热像,并与单喷管喷焰的红外特性进行了比较.考察了不同的喷管间距、探测方向、飞行高度对喷焰表观辐射强度的影响.结果表明,多喷管尾喷焰红外辐射光谱选择性与单喷管相似,但光谱峰值无线性关系;对于低空四喷管发动机尾喷焰,红外特性随喷管间距增加有所增强,随飞行高度增加,喷焰红外辐射强度提高.     

羽流UV-VIS辐射在液体火箭发动机故障诊断中的应用技术研究

为发展基于羽流UV－VIS辐射光谱的液体火箭发动机故障诊断技术,以光谱采集系统为测量手段对三组元模型发动机排气羽流及用以模拟煤油－氧发动机燃烧的气氧－煤油火焰的近紫外与可见光谱辐射进行了实验研究,利用辐射传递模型对实验结果进行了理论计算,利用演化算法对实验结果进行了反算。研究结果表明该项技术具有很强的可行性和实际工程意义。     

某卫星真空热试验中一些新要求的解决措施

某卫星在进行真空热试验时,对热流提出了三个方面的新要求：(1)对某些热流要求较低的加热区的加热笼进行修改,提高其低热流实现能力;(2)减小支架漏热;(3)实时计算设计热流和实际热流的周期积分偏差。由于修改时的约束条件较多,新的要求的满足非常困难。经过努力,最终解决了这些问题,通过对某些加热笼采取加热带双面涂黑漆的方法,实现了低热流;经过计算和针对性的设计,支架漏热不超过0．1188W;同时实现了设计热流与实际热流周期积分偏差的实时计算。     

不同尾翼受发动机羽流作用对弹体飞行性能的影响

针对某型靶弹在试验飞行时采用不同尾翼布局所得的截然不同的飞行结果，开展了固体火箭发动机喷流干扰对飞行器飞行性能影响的研究。结果表明，发动机喷流与发动机推力偏心、偏斜的共同作用将对飞行器飞行姿态和弹道产生影响，且影响程度与飞行器尾布局有很大关系。     

推力器真空羽流热效应计算模型修正及误差分析

开展羽流热效应计算模型精确评估是合理进行热控设计的前提和条件。文章采用数值求解N-S方程和基于工程经验的点源法相结合的方法得到羽流内外流场;而后采用理论经验公式对羽流热效应计算模型中的关键参数(壁面热适应系数)进行分析,并讨论它们的取值范围;最后利用MBB 10 N推力器的地面试验数据,对羽流热效应关键参数的取值范围进行了精确评估,使得羽流热效应计算误差减小到工程允许的范围内,确认了修正后计算模型的正确性和可信度。     

火星进入气体辐射加热研究进展

针对飞行器进入火星大气时气体辐射加热对防热设计带来不确定性，在简述火星探测和气体辐射研究的发展历程的基础上，对火星进入气体辐射加热研究的进展进行综述。首先，针对火星大气环境描述了气体辐射加热的概念和问题由来。其次，重点综述了近年来火星进入气体辐射加热基础模型的数值和试验研究进展，其中包括：热化学非平衡气体动力学、气体辐射特性和辐射传输的计算模型与方法等数值研究；地面测试设备、试验技术和模拟火星大气环境的气体辐射测量与验证等试验研究。再次，综述了流动辐射耦合和后体气体辐射加热等火星进入器设计方面开展的研究。最后，对未来火星进入气体辐射加热研究进行了展望，提出了研究建议。     

Experimental evaluation of the radiative heat flux from rocket plumes on satellite structures

An experimental method capable of directly measuring the net radiant heat flux on complex geometry surfaces by non invasive methods has been devised, designed, realized and tested. The method is based on a computerized thermographic system capable of directly outputting the radiative heat fluxes absorbed by the surface to be examined. The calibration tests have shown the feasibility and the accuracy of the proposed method. Preliminary tests are presented which simulate the radiation flux from a jet exhaust.     

月球探测器着陆过程羽流热效应数值模拟研究

考虑到月球探测器着陆过程变推力发动机工作可能引发羽流热效应,通过差分求解N S方程与直接模拟蒙特卡洛(DSMC)耦合的方法,针对探测器变推力发动机羽流的连续流区与稀薄流区进行了数值模拟,获得了着陆过程不同状态探测器表面的羽流气动热流密度分布,分析了探测器在不同高度及坡度受到的羽流热效应,研究了探测器因落月惯性与发动机延时拖尾等特殊工况羽流气动热的影响程度。数值模拟结果表明,探测器受到的羽流气动热影响总体随着发动机出口与月面间距离减小而急剧增强,随着距离减小至0.434 m,热流密度最大值为429 kW/m 2 ,而且月面坡度对羽流热效应有减弱作用。研究结果可为探测器关机策略的制定提供支撑,为探测器关键部位的热防护提供输入,为探测器整体的设计优化提供服务。     

发射特性对线性各向异性散射介质内瞬态温度分布的影响

考虑各向异性散射介质内的辐射传递方向，本文考察了辐射能的重新分配过程。利用射线踪迹法结合Hottel和Sarofim区域法推导了辐射传递系数(RTCs)。考虑一维各向异性参与性半透明灰介质。两边界表面为镜反射，一个表面半透明，另一个表面不透明。辐射传递系数用于计算辐射热源项。瞬态能量方程由全隐式控制容积法求解。外界辐射加热与对流冷却同时作用于边界表面。考虑四个线性散射相函数。以各向同性散射情况比较，研究不透明边界两侧发射特性和线性散射相函数对瞬态温度分布的影响。结果表明，各向异性散射与各向同性散射介质间的相对温度差异与散射不对称参数近似成正比。