空间发动机羽流场的试验研究

为研究空间发动机羽流对卫星的影响,建立羽流污染预报系统,研制了一套羽流试验系统并进行了试验研究.试验台主要包括空间环境模拟系统,电热气体发动机,稳压气源,轴向和径向移动装置,测量系统和温控系统.系统可在满足10-3Pa量级的真空压力和93±5K的背景温度下稳定运行和精确测量.本文完成了表征羽流特征的关键参数-压力场的测量.同时采用CFD和DSMC相结合的方法进行羽流场的数值模拟计算.测量数据与数值计算结果以及相似试验条件下Boyd等人的测量结果进行了对比.     

基于TDLAS技术的喉栓式变推力发动机羽流速度特性

为研究喉栓式变推力发动机动态调节过程的羽流速度特性，采用有限速率化学反应模型和动网格方法，建立了考虑后燃反应的发动机羽流动态仿真模型。基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术测速原理，对羽流速度测量结果进行了仿真计算。分析了喉栓往复调节过程的羽流瞬态流场结构，探究了后燃反应及测量位置对TDLAS羽流测速结果的影响。结果表明：发动机羽流场结构随着喉栓往复调节呈周期性变化，喉栓趋于关闭时，喷口附近出现强激波，下游羽流速度分布更均匀，速度梯度对TDLAS测量的影响降低；后燃反应导致羽流下游速度和H2O组分分布发生显著变化，沿下游方向，后燃反应对TDLAS所测沿光路平均速度振荡幅值的影响逐渐增大；实际测量时，选取距喷口更近的测量位置可以降低后燃反应和速度梯度的影响，获得更接近轴线测点速度的结果。     

后燃对火箭发动机羽流红外特性的影响

为研究火箭发动机后燃羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解.计算中考虑了10种组分,使用有限速率化学反应模型对羽流后燃现象进行计算,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1~15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,与试验数据符合较好.在羽流近场内能够捕捉到辐射特性随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度.随着来流马赫数和飞行高度的增加,后燃引起的羽流红外辐射强度的增量均变小.     

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

微波在液体火箭发动机真空羽流中的衰减

为研究液体火箭发动机真空羽流对微波的衰减作用,以某双组元液体火箭发动机为对象,使用热力计算程序对燃烧室内的电子数密度进行了计算,使用冻 结假设和有限化学反应速率假设两种情况对喷管内带电粒子的电离和再结合过程进行了模拟,并对羽流中带电粒子数密度和5~30GHz微波穿过羽流的衰减量进行了估算.研究结果显示:该发动机燃烧室和喷管出口的电子数密度量级分别为 1013~1014cm-3和1010~1011cm-3,K,Na等碱金属为主要电子释放剂,Cl-,OH-等基团为主要电子吸收剂;低频微波在羽流中衰减更严重,5GHz微波的衰减可达4.5dB;微波斜穿羽流的衰减通常大于横穿情况.      

基于地外天体起飞的真空羽流导流技术仿真与试验研究

针对着航天器发动机羽流导流问题,基于工程经验提出了四种典型导流装置型面(包含内凹槽形式和导流锥形式等),利用计算流体动力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞过程中羽流导流带来的气动力和气动热效应进行了数值模拟,并对不同导流装置情况下羽流场激波、航天器表面压强和热流密度分布规律进行了分析,给出了四种导流装置的导流效果评价。最后以导流锥形式开展试验,对仿真算法进行了验证。结果表明：羽流导流并没有导致发动机燃烧不稳定;综合考虑航天器羽流和发动机安全性,大导流锥导流的方案最优;在导流锥附近的激波位置及形态和仿真一致,仿真与试验的变化趋势一致,仿真算法可信,数据规律可以作为工程参考。     

三组元双工况火箭发动机羽流发射光谱实验研究

为研究火箭发动机故障的羽流光谱诊断技术，对三级元双工况火箭发动机羽流发射光谱进行了实验测量。结果表明娄发动机有异常杂质进入羽流时，羽流光谱中有该物质的显著特征光谱；同时，正常情况下羽流辐射光谱随发动机不同结构、不同工况及不同工作参数而表现出不同的特征光谱。     

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

火星环绕器羽流效应仿真研究

火星探测器发动机羽流效应影响飞行任务的安全,采用差分求解NS方程与直接模拟蒙特卡洛耦合的方法对火星环绕器姿轨控发动机羽流力、热以及污染效应进行了仿真研究。结果表明:发动机羽流对火星环绕器气动力、热及污染效应影响主要在发动机储箱上,最大热流值可以达到1789 W/m~2,需要注意;发动机羽流对展开太阳能电池翼的气动力和气动力矩相对于发动机推力和推力力矩来说,小3~4个量级,影响较小;已分离着陆器在距发动机出口300 m以内时,羽流对已分离着陆器的影响较大,气动热流在100 W/m~2以上;在100 m以内时,气动热流在1000 W/m~2以上,需要对敏感设备采取一定的防护措施。不同热适应系数气动热流仿真对比计算结果表明,随着热适应系数的增加,热流密度值呈线性增加。数值模拟结果可以为火星环绕器工程设计提供参考。     

姿控发动机羽流的可见光/近红外特性

为了研究发动机羽流辐射特性对光学探测成像的影响,基于不同直径粒子散射理论、辐射传递方程和分子吸收线数据库,应用有限体积法,建立了火箭发动机羽流在不同波段的辐射特性计算程序.针对实际工作情况进行建模,开展某姿控发动机工作在环月球轨道时的可见及近红外波段羽流的辐射特性计算.在0.4~0.9μm波长范围内,针对羽流气体组分、波长、观察天顶角以及太阳辐射对羽流光谱的影响作了数值计算及分析.研究结果表明:应用有限体积法开发的程序较好地模拟火箭发动机羽流的辐射特性,并具有广泛适用性;在可见光和近红外波段,太阳辐射作用对火箭发动机喷流辐射特性影响最大.      

一种基于引射效应的流体推力矢量新技术

流体推力矢量是一种利用流动控制技术实现推力转向的方法,针对现有二次流动控制推力矢量方案的不足,提出了采用引射方式的新型流体推力矢量技术,该技术在喷管套管内利用引射作用产生低压区使主流方向偏转,实现推力转向。并且可以通过限制流量的方法调节主喷流对单侧套管的抽吸程度,使得在喷管套管内产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的。运用这一概念设计了矩形矢量喷管,采用数值模拟方法验证了喷管的推力转向效果,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析。计算结果表明:该矢量喷管的最大推力转向角度达到24°,对应喷流附壁状态,在喷流附壁之前可以矢量控制的推力转向角为0°~13°,推力损失在1.5%~7.0%之间变化。最后根据该计算外形以1∶10比例加工了矢量喷管,运用高压气源进行了尾喷流偏转试验。试验表明该矢量喷管在设计状态能够实现射流矢量偏转,从原理上验证了该推力矢量方案的可行性。     

液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击效应

为研究液体火箭发动机尾焰对发射平台的冲击效应特性,建立液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击数值计算模型.针对液氧/煤油发动机尾焰对发射平台冲击特性,基于建立模型研究了喷管出口距离平台3,5m工况下推进剂流量和复燃对冲击特性的影响,并分析了影响差异及其产生差异的原因.结果表明:尾焰自由射流区的激波膨胀、压缩距离和壁射流区面积随推进剂流量的增大而增大;考虑复燃化学反应不仅改变了自由射流区和滞止区的形状结构,而且增大了壁射流区的面积和温度;复燃和推进剂流量均是通过影响尾焰结构对冲击特性产生影响,具体影响效果与喷管出口和发射平台间距离有关.      

与飞机融合的单边膨胀喷管排气系统

单边膨胀喷管（Single Expansion Ramp Nozzle,SERN）是1种新型的排气喷管,具有可以有效抑制航空发动机排气系统的红外辐射和雷达反射截面积、后体阻力小、质量轻、增加飞机的敏捷性和可操控性等优点。运用计算流体力学/红外辐射（CFD/IR）数值模拟的方法,采用标准k-ε湍流模型和标准壁面函数,研究了轴对称喷管、单边膨胀喷管和开缝冷却单边膨胀喷管的排气系统与机身融合后的红外辐射特性空间分布规律。结果表明：单边膨胀喷管大幅度降低了排气系统尾向红外辐射峰值,其降幅达到60%以上,说明了单边膨胀喷管与后机身融合、遮挡内部高温部件,从而降低了尾向红外辐射的卓越红外抑制效果。     

全尺寸二元喷管红外辐射特性研究

 设计了一种全尺寸二元收敛喷管,用涡轮喷气发动机 WP-6作为燃气发生器,在发动机处于最大状态时,用红外光谱仪对二元喷管及尾喷流的红外辐射进行了测试。研究结果表明,与基准喷管相比,在发动机产生相同推力的条件下,二元喷管改善了喷口和尾焰红外辐射的光谱分布,减小了红外源的尖峰辐射,明显降低了发动机的红外辐射强度。     

几何对称横向射流入射对尾喷流红外辐射特征抑制的数值研究

降低高温核心区长度是减小尾喷流红外辐射的有效途径。针对某轴对称收敛喷管,研究1种横向射流主动强化尾喷流掺混与红外抑制技术,采用横向射流技术强化外流与热喷流的掺混,通过数值模拟方法研究了2股横向射流喷射频率与流量变化对强化尾喷流掺混与红外抑制特性的影响规律。结果表明:在与横向射流流动方向垂直的探测面上尾喷流辐射强度衰降明显,探测角度为90°时红外辐射强度衰降可达48%。随着2股射流流量差的减小,强化掺混与红外抑制效果逐渐增强。     

分开式与混合式排气喷管气动特性对比研究

通过内外流场的3维数值模拟,考察多种结构形式的V形齿和波瓣混合器分别对分开式和混合式排气喷管气动特性的影响,此外,比较了涵道比为7一级的分开式和混合式2种喷管在起飞和巡航状态下的推力性能,以期为大涵道比涡扇发动机排气系统的方案选择和气动设计提供参考和指导.计算结果表明：内外交错型V形尾缘十分显著地加强了分开排气喷管尾喷流的掺混,并且造成的推力损失不大;内窄外宽型尾缘的波瓣混合器有利于混合排气喷管气动性能的提高;在7一级的涵道比下,混合排气喷管的推力性能要优于分开排气喷管的.     

面向飞/发一体化设计的高温尾喷口流场分析

结合飞/发一体化设计理念,以提升红外隐身性能为目的,引入横向掺混技术进行尾喷管构型设计。应用计算流体力学(CFD)数值仿真方法,分别分析了圆形喷管和矩形喷管流场温度分布,并提取矩形喷管中心面,研究喷管带小孔壁板偏折角对尾流冷却效果的影响。研究结果表明:相对于入口热流温度,矩形喷口降温率约为30%,尾气流喷出后偏向两侧流动,高温核心区体积快速衰减;圆形喷口降温率约为10%,尾气流喷出后沿轴向一直保持圆柱形,高温核心区体积衰减缓慢。矩形喷口主动冷却效果明显高于圆形喷口,更有利于实现飞/发一体化的热管理及红外隐身。同时,中面带小孔壁板偏折角的大小与主动冷却效果也存在密切关系。     

尾缘修形的二元喷管内外流场数值研究

针对美国第四代战斗机F-22在二元收-扩喷管设计应用上的特点,利用时间推进的有限体积法对二元喷管尾缘修形前后非矢量状态下的内外流混合流场进行了数值模拟。结果表明:二元喷管出口尾缘修形使得喷管出口下游流场中出现了很强的流向涡,能够促进内外流的强化混合,对缩短高温核心区、加快尾喷流沿流向的温度衰减有明显效果,对抑制尾喷流的红外辐射有一定好处。      

水力模拟与固体火箭发动机流场分析

水力模拟技术的发展，可以对固体发动机流场进行范围广泛的水力模拟。例如：轴对称流场，定常和非定常流动，亚音和超音流动具有激波的流动等。作用介绍了水力模拟的基本理论，轴对称流动水力模拟的主要对应关系以及水力模拟试验装置的简要情况。     

UDMH/NTO火箭发动机尾焰流场特性数值仿真

采用AUSM(advection upstream splitting method)空间离散格式,探究了常用的3种k-ε湍流模型和2阶、3阶迎风格式对激波捕捉效果的影响。采用标准k-ε双方程模型和2阶迎风格式对不同高度和不同来流马赫数下的偏二甲肼/四氧化二氮(UDMH/NTO)火箭发动机尾焰流场进行喷管-尾焰流场一体化仿真。复燃反应采用12组分18步化学反应模型,喷管入口参数由热力计算给出。结果表明:随着来流马赫数的增加,波节数逐渐降低;随着飞行高度的上升,尾焰影响区域逐渐扩大;复燃反应造成混合区中的O2、N2质量分数大幅下降,而混合区中O、OH、NO质量分数则有所上升。