微冲量测量的建模误差分析

微冲量测量是脉冲微推力器推进性能研究的关键问题之一。利用摆等动力学结构,将冲量测量转化为摆角(位移)测量是微冲量测量的主要研究方法。基于二阶系统模型,在摆无阻尼振动及冲量瞬间耦合的条件下,定量研究了冲量测量的建模误差。研究结果表明,不管作用力的脉冲波形如何,只要作用力时间与摆的振动周期之比足够小且阻尼比足够小,建模误差完全可以忽略。     

亚声速来流对吸气式纳秒激光推进性能的影响

针对亚声速来流条件下吸气式纳秒激光推进的机理,通过Fluent流体仿真软件,数值模拟不同来流马赫数条件下推进器内外流场的演化过程,分析来流速度对推进性能的影响。结果表明:低速条件下,空气来流强度小,对推进器和激光冲击波的影响较小,冲击波近似自由向外传播,与推进器作用较为充分,使得冲量耦合系数较高;随着亚声速来流的增大,自由空气来流强度增大,推进器所受阻力增大,并抑制冲击波自由传播,加速冲击波耗散,缩短冲击波的有效做功时间,导致冲量耦合系数快速下降。     

烧蚀模式激光推进的实验研究

采用CO2激光器和固体推进剂对三种构形的抛物型激光推力器模型进行了烧蚀模式下的单脉冲、多脉冲连续推进的对比实验,单脉冲实验获得的最高冲量耦合系数达到2.7×10-4N/W,对多脉冲连续推进时的冲量耦合系数有较大幅度的下降进行了分析,尝试采用PVDF薄膜传感器,测量了推力器内壁的瞬态压强,并采用热像仪对推力器的外壁温升进行了连续记录,为进一步研究激光能量转化为推力的机理以及热力冲击的影响提供了直接的数据。     

激光干涉法测量微冲量数据处理方法

采用激光干涉法测量微冲量是一种新的微冲量测量方法。为了有效地测量10-4~10-8N.s量级的微小冲量,对力的加载过程进行定量的描述,在激光等离子体微推进器(μLPT)研究过程中采用该方法作为测试手段。介绍了测量系统的组成及测量方法,进行典型实验并提供了实验测量结果,重点讨论了测量系统的数据处理方法,对处理过程中存在的问题及数据处理方法的局限性进行了分析。研究工作对于激光干涉法应用于μN.s量级微冲量测量具有一定的参考价值。     

基于复摆模型的多脉冲冲量耦合系数测量方法

在单脉冲冲量测量方法的基础上,增加激光脉冲提取和摆杆控制单元,提出了一种基于复摆模型的多脉冲冲量耦合系数测量方法。分析了多脉冲的两种测量模式及实现流程,解决了数据处理面临的新问题,并对该方法进行了检验,结果表明:所设计的激光脉冲提取和摆杆控制单元满足25Hz频率要求,可实现在40ms内提取多脉冲序列的任意一个脉冲;模拟多脉冲序列下测得两种模式15°锥形喷管的冲量耦合系数为371.0～375.3N/MW,具有很好的一致性。该方法可用于吸气式激光推进的多脉冲性能研究,并作为其他多脉冲研究方法的有效补充。     

激光干涉法在扭摆法测量微冲量中的应用

介绍了激光干涉法测微小转角的原理及测量方法,提出了采用激光干涉测量微冲量的方法,将激光与靶作用产生的微冲量转化为扭摆的转动角度,通过激光干涉法测量此微小转角从而计算出冲量。相同单脉冲能量下,以PVC+2%C为工质,用扭摆法测量了激光与工质作用产生的微冲量,结果表明该测试系统分辨率为2×10-8N.s,量程为2×10-7～0.8×10-5N.s。     

温度对小型柔性接头力矩特性的影响

为了研究柔性接头在固定压强下力矩特性随温度的变化，设计了弹性材料为硅橡胶的小型柔性接头，测试了一系列0.1MPa容压条件下柔性接头在正弦激励下的动态特性，获得了不同温度时接头的摆角力矩曲线。根据接头在摆角为0°时的力矩获得摩擦力矩，根据摆角力矩曲线的近线性部分获得弹性比力矩，在此基础上研究了温度对各个力矩的影响。结果表明:作动力矩随温度的升高而减小，但温度对作动力矩的大小影响很小，库伦摩擦力矩随温度的升高而增加，弹性比力矩和总比力矩因发生热弹逆变现象随温度的升高先减小后增加，动态弹性模量和损耗系数随温度的升高而降低，能量损耗受动态弹性模量和损耗系数变化影响随温度的升高而降低.      

激光干涉仪测微冲量原理

对激光干涉仪测量微冲量的原理进行了初步研究,将激光与靶材相互作用产生的微冲量转化为冲击摆的微幅振动,通过激光干涉仪辨识此振动以获得冲量。激光干涉仪可分辨出λ/8的微振动,为精确测量微冲量提供了可靠的保证。理论分析表明,研究工作对在作用力时间不可忽略条件下精确测量10-4N.s量级以下的微冲量具有意义。     

吸气式激光推进单脉冲性能实验研究

利用实验室建立的多种测量系统,组合不同的聚焦及约束条件,广泛进行了吸气式激光推进单脉冲性能实验研究。给出了气压、单脉冲能量和实验件构形对冲量耦合系数影响规律,发现随实验条件变化存在不同的冲量耦合系数稳定区间;测量了单脉冲激光推力加载过程,其持续时间约为170μs,峰值约为200 N;获得了不同约束和不同能量下的流场波系结构,认为激波速度大、有效作用时间长有利于获得高的冲量;进一步综合分析了目前吸气式激光推进的研究局限和发展方向,为重复多脉冲性能研究奠定了很好的实验方法和数据基础。     

柔性接头有效摆心漂移特性

设计了带缠裹式防热套的柔性接头,弹性件和防热套材料均采用硅橡胶.研究了柔性接头有效摆心和几何球心的关系,采用2阶四项式Mooney-Rivlin模型模拟弹性件的本构关系,利用ANSYS软件分别仿真计算柔性接头在压强为0,9MPa下不同摆角条件的有效摆心和几何球心漂移,得到了两者的漂移包络线,把仿真的有效摆心漂移结果与试验测量值进行比较,并利用间隙碰撞试验验证了几何球心漂移仿真结果的准确性,在此基础上研究了有效摆心漂移的原因.结果表明:摆心包络线的仿真结果与试验结果吻合较好,有效摆心和几何球心是两个不同的概念,柔性接头的有效摆心漂移在半径为2.5mm,高为1.4mm的圆柱包络面内,而几何球心的漂移在半径为0.013mm,高为0.6mm的圆柱包络面内,有效摆心漂移是由接头各层增强件和弹性件的变形不同引起的.      

单组元脉冲推力器挤压和排气过程分析

高室压脉冲推力器使用可移动的喷注器,能够得到比供给压强高得多的燃烧室压强。为了分析其工作特性,建立了单组元脉冲推力器挤压和排气过程的数学模型,以硝酸羟铵(HAN)基单组元推进剂为例,采用四阶龙格-库塔法进行了求解。结果表明,燃烧室最大压强和平均压强都大于推进剂入口压强,而燃烧室内近似等容的燃烧过程是压强升高的原因。与所用推进剂、平均推力和面积比都相同的常规推力器相比较表明,脉冲推力器的真空比冲提高5 s,而喷管喉部面积减小89%,若两者喷管出口面积相同,则脉冲推力器的比冲将提高31.5%。     

喷口导流环结构对激波聚焦起爆的影响分析

为研究两级脉冲爆震发动机环形喷口导流环的深度与角度对共振腔内激波聚焦起爆爆震波的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同导流环深度和角度下激波聚焦起爆爆震波的过程进行了数值模拟。结果表明,导流环越深,起爆点的压力和温度越高,越有利于起爆;在导流环角度较小的情况下,导流环越深,工作频率越低,单位时间内整个装置的净冲量越小;在导流环角度较大的情况下,导流环越深,工作频率越高,单位时间内整个装置的净冲量越大;此外,随着导流环倾斜角的增大,起爆点温度和压力先升高后降低,在倾斜角为25°左右达到最大值,且起爆时刻提前,工作频率提高,单位时间内整个装置的净冲量也增大。     

胶质微推进液滴加速过程的数值模拟

采用拉格朗日粒子跟踪法计算液滴的运动轨迹,对胶质推进器中带电液滴在加速区的运动过程进行了数值模拟,获得液滴速度和密度的空间分布。使用两种溶剂(TBP3,甲酰胺)作为推进剂,分析了电压、流量变化对喷雾扩散角、液滴轴向速度及对推进器性能的影响。模拟结果表明,随着电压的增加,液滴轴向速度增大,喷雾扩散角减小;随着流量的增大,液滴轴向速度和喷雾扩散角均减小;使用甲酰胺推进剂比使用TP3推进剂得到更高的推力和比冲;模拟得到的推进器性能能良好符合实验结果。     

MACH2 simulations of a micro laser ablation plasma thruster

In this work the detailed physical processes occurring in the high density plasma that is ejected from the solid propellant surface in a small laser ablation thruster are simulated using MACH2. Qualitative results of the laser ablation process that leads to propellant erupting from the surface and leaving behind a crater in a solid Teflon® propellant are presented. Simulations were conducted for a 0.5 μs laser pulse (FWHM) at 935 nm with laser pulse energy ranging from 20 μJ to 2 mJ. Simulation results indicate that crater diameter and depth increase with pulse energy. The impulse bit also increases with pulse energy. Specific impulse follows the opposite trend and decreases with laser pulse energy. The simulated impulse bit for a 2 mJ, 0.5 μs laser pulse over-predicts that reported in the literature for a 2 mJ, 2 ms laser ablation thruster pulse by approximately one order of magnitude and under-predicts the specific impulse by approximately one order of magnitude.     

激光光船周围连续/稀薄混合流场的数值模拟

当火箭模式激光推进器在高空稀薄大气中飞行时,需要在激光聚焦区附近喷射稠密气体工质,从而利用激光聚焦击穿气体工质形成等离子体,为光船提供推力。为了分析该光船的推力产生过程,采用连续流体力学计算方法(CFD)和直接数值模拟蒙特卡洛方法(DSMC)耦合的混合算法,数值模拟飞行高度为80 km飞行马赫数为5的激光光船周围高温连续气体和稀薄环境大气耦合的非定常混合流场,并得到推力随时间的演化曲线。结果表明,稀薄效应明显增加了激波厚度,高温效应延迟了推力的产生,并导致冲量耦合系数和比冲的降低。     

环境压强对电弧喷射推力器性能的影响

为了详细研究环境压强对电弧喷射推力器性能的影响,对低功率氮氢电弧喷射推力器在不同环境压强下的工作性能进行了比较计算。采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)和经典龙格库塔方法求解耦合电磁源项的N-S方程组,采用高斯-塞德尔超松弛迭代方法数值求解电磁场方程。计算结果给出了不同环境压强下推力器的推力、比冲、推进效率和出口平面冲量密度分布。结果分析定量地阐释了环境压强对推力器性能的影响,能为推力器的实验研究及空间应用提供参考。      

Design and experimental research of a sub-Newton N2O monopropellant thruster with inner-heater

Nitrous oxide（N₂O） is a green propellant with excellent application prospects. A subNewton N₂O monopropellant thruster with inner-heater and a N₂O self-pressurization stable supply system with regenerative heat compensation are designed in this paper. The experimental research of the thruster is described, including measurements of preheating power, activation temperature, vacuum thrust, specific impulse, life-span and pulsed operation performance. By inserting t...     

LSDW速度随激光参数和环境气体压强变化规律的实验研究

对LSDW速度随入射激光能量、激光聚焦角度和环境气体压强变化的规律进行了实验研究。研究发现,入射单脉冲激光能量越大,聚焦角度越小,环境气体压强越小,LSDW的传播速度越大。实验测量得到的LS-DW速度随入射激光能量、聚焦角度和环境气体压强的变化规律与一维理论公式中体现的规律完全一致。将相同条件下的实验数据与理论结果进行比较后发现,二者在定性上取得了很好的一致性,但在定量上有所差别,因此需要对现有一维理论公式进行修正,以便更深入地研究LSDW的传播演化规律和特性。     

氟化氢激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验

为了研究激光功率密度对氟化氢激光与铝靶相互作用过程中冲量耦合系数的影响,分别在大气和真空中,用聚焦后的激光烧蚀铝靶,通过改变聚焦到铝靶的光斑大小,得到冲量耦合系数和激光功率密度的关系,并将该实验结果与CO2激光和铝靶相互作用的实验结果进行比较。结果表明,氟化氢激光与铝靶相互作用得到的冲量耦合系数和激光功率密度的关系与CO2激光不同。大气和真空中,氟化氢激光与铝靶相互作用开始出现冲量传递的阈值分别约为8.03×106W/cm2和7.69×106W/cm2,并且这两种情况下,氟化氢激光器与铝靶相互作用得到的最大冲量耦合系数均高于CO2激光。