推进剂加热通道结构对太阳热发动机性能影响

太阳能热推进是一种非常具有前景的空间动力平台,螺旋通道是STP（Solar Thermal Propulsion）推力室/热吸收室内部关键结构之一。本文运用数值模拟方法,通过改变螺旋通道结构参数,对STP性能进行了详细的研究,深入分析了STP的推力,比冲、质量流量变化情况,得出了一般情况下螺旋通道的长度,宽度参数范围,同时比较了单、双通道的优缺点,所得的结论对STP推力室/热吸收室推进剂加热通道结构设计具有指导意义     

通道参数对超声速叶栅性能的影响

为了研究喉部面积比、喉部位置及稠度对超声速叶栅最小损失点性能的影响，基于直接控制通道的造型方法获得一系列设计马赫数为1.4且具有不同通道参数的平面叶栅。数值计算与流场分析结果表明：根据叶栅通道内激波系结构的不同可将其划分为启动态叶栅与过渡态叶栅。喉部参数主要通过改变激波系位置影响叶栅性能。启动态叶栅喉部面积比越小、喉部位置越靠前，其最小损失越小、静压比越高；过渡态叶栅则相反。稠度改变时叶栅通道中激波系结构发生变化，大稠度叶栅大多处于启动态，最小损失小且静压比高；小稠度叶栅大多处于过渡态，具有更大的裕度。     

三角形涡发生器综合换热性能全局优化和知识挖掘

为了强化布置三角形涡发生器的U型通道综合换热性能,耦合基于子元模型的全局优化算法、三角形涡发生器参数化方法、三维RANS方程求解技术与基于总变差分析的知识挖掘技术,建立了高效的三角形涡发生器综合换热性能优化与知识挖掘方法。在验证本文数值方法正确性的基础上,以综合换热性能最优为目标函数,对布置于U型通道内的三角形涡发生器进行设计优化与知识挖掘。优化后,最优设计的三角形涡发生器诱导产生的下洗涡对的强度和间距增加,使得U型通道的综合换热性能相对提高了14.5%。同时对设计空间进行知识挖掘,筛选对综合换热性能影响显著的设计变量,分析显著变量对目标函数的影响机制。结果表明:三角形涡发生器的高度对通道换热能力和阻力损失的影响最为显著,而三角形涡发生器的宽度对通道综合换热性能的影响最为显著。     

多级轴流压气机出口级转子扩张通道优化设计

为提高多级轴流压气机后面级气动性能,针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台,并对其进行扩张通道优化设计研究。根据优化得到的数据库分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案,探究了其对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明:扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%,同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得,扩张通道转子相较于原型转子,其上下端壁损失增加,叶型损失减小。扩张通道转子近失速点堵塞系数变小是其裕度提升的主要原因。      

基于变分法的冷却结构优化设计与分析方法

为了改善冷却结构的综合换热性能,需要对冷却结构的优化设计进行研究。以冷却结构的平均温度、温度不均匀度和冷却剂流动压力损失为目标函数,基于变分法生成优化分布的冷却通道,该通道可以根据当地的边界条件而自适应地调整。随后对冷却结构进行流固耦合传热的数值计算,得到冷却结构的温度分布、冷却剂的压力损失、冷却剂出口温度等参数,多次迭代进而得到满足目标要求的冷却结构优化设计。计算结果表明,基于变分法的冷却结构优化设计方法可以根据当地边界条件生成优化的冷却通道;对于不同的优化方案,存在各自对应的最佳通道个数和冷却通道分布使目标函数最优;对于优化方案三,优化设计的冷却通道和常规设计的冷却通道相比:冷却结构平均温度从816K下降到807K,温度不均匀度从211K降低到172K,代价是压力损失从8kPa上升到17kPa。     

回热式工质驱动分布式推进系统参数研究

为研究以回热后的压气机引气驱动推进器风扇的工质驱动分布式推进系统（Recuperated Gas-Driven Distributed Propulsion,RGDDP）,对其热力循环过程和能量流动展开研究。基于部件法建立了推进系统的设计点计算模型,分析了引气参数和推进器风扇压比对推进系统耗油率的影响,在此基础上,分析了推进系统耗油率对部件效率的敏感性。在不同循环参数下与涡轮电分布式推进系统（Turbo-electric Distributed Propulsion,TeDP）的耗油率进行了对比,得到了RGDDP的热力循环特征。结果表明,引气参数存在最优组合使得推进系统的耗油率最低,同时耗油率对能量传输相关的部件效率敏感性最高;与TeDP相比,涡轮前温度对推进系统的耗油率影响更大,而总压比的影响较小;总涵道比为20时,相对于TeDP,RGDDP具有一定耗油率收益,随着总压比的升高收益降低,总压比为66时仍有3%左右的收益。提高RGDDP总体效率的关键在于降低能量传输过程中的损失并提高换热效率。     

斜流工况下泵喷推进器推进性能数值分析

斜流入水的现象在推进器的运行过程中广泛存在,会对推进器的水动力性能造成不利影响。为了分析斜流工况对泵喷推进器推进效率及流场造成的影响,采用分块网格技术,对泵喷推进器内外流场进行了结构化网格划分。基于RANS 方程,SST k-ω 湍流模型,对不同转速（n=3000,3600,4200r/min）、不同斜流角（β=0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°,40°） 的泵喷推进器进行了数值模拟。数值模拟方法通过Ka4-70/19A导管桨进行了验证,计算值与实验值吻合情况良好。研究结果表明,小角度下,斜流角的改变对泵喷推进器的效率影响很小;斜流角大于20°时,斜流角增大将使推进效率明显减少,这是由于泵喷推进器内流场分布不均,出现了水流聚集区和分散区,降低了泵喷推进器的平衡性以及对流体的加速效果;斜流角越大,叶尖间隙对主流影响越大,造成的能量损失越大。     

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统换热特性数值模拟研究

本文通过三维数值模拟研究蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统的蓄/释热特性和推进性能。在蓄热式太阳能热推进系统工程模型的基础上,通过射线光学的光路分析验证了聚光器设计的合理性,并获得吸热腔壁面能量分布情况,进一步研究了相变蓄热过程的影响因素。基于场协同原理对热光伏再生冷却结构进行了优化设计,使热光伏具有较好的散热特性,提高发电功率;通过整机流动换热仿真,分析了工质流体在推进器内部的换热情况,计算结果表明,蓄热式热推进器具有达到734s比冲和0.9N推力的推进性能,以及能够满足日蚀区微小卫星的供电和推力需求。     

航空电子设备冷却轴流风扇优化设计

基于风扇参数化设计和数值模拟程序,分析风扇各主要结构参数对其气动性能的影响,为进一步的优化设计提供了条件.采用并行计算流体力学(CFD)方法,基于组合优化策略(正交实验设计、响应面模型、遗传算法和混合整型算法)以多工作点流量系数平均值最大为目标函数对风扇进行多参数结构优化.8025型轴流风扇的优化结果比初步设计方案的性能提高14.5%.      

磁流体密封结构参数对密封能力的影响

在采用磁场分析法, 并利用不等间距网格的有限差分数值方法对磁流体密封装置中稳态磁场进行分析 [3] 的基础上, 研究了矩形齿磁流体密封装置结构参数对密封能力的影响, 并根据磁路分析方法定性解释了参数对密封能力的影响规律 (参数包括密封间隙、极齿结构参数、永磁体结构参数以及极齿齿数)。根据分析计算的结果, 对磁流体密封进行了优化设计和实验验证, 优化设计出的装置体积和重量降低了50%以上。      

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

霍尔推进系统扭矩特性分析及应用设计

为降低霍尔推进系统产生的扭矩长期作用于航天器对姿态控制造成的干扰,对其扭矩特性进行分析和优化设计,通过对扭矩的产生机理进行模型化分析,得到了放电参数对扭矩大小及方向的影响关系。分析表明,1kW～5kW功率级霍尔推力器工作时,会产生量级为10-4N?m的扭矩,通过控制励磁电流方向可改变扭矩方向。针对典型的全电推进飞行任务,通过提出霍尔推进系统扭矩主动控制设计,实现了对系统产生的扭矩进行相互抵消或者叠加利用,降低了系统的应用风险。     

分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器实验研究

通过纳秒激光烧蚀羽流特性的研究证实了羽流分裂现象的存在,为了抑制羽流分裂现象可能带来的滞后烧蚀而将分块阳极构型引入激光支持的脉冲等离子体推力器中,由此首次提出了分块阳极式激光支持的脉冲等离子体推力器的概念.通过实验对比研究了分块阳极和正常阳极构型的放电特性参数、性能参数和放电电弧发展演化等特性.结果表明,分块阳极构型能...     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。     

基于Matlab/Simulink的离子推力器输入参数设计模型研究

离子推力器的输入参数设计直接决定其工作性能以及寿命,为了有效降低在前期设计阶段,由于输入参数设计缺陷导致的输出性能和预估寿命不一致性,以及后期优化改进所带来的风险及高昂成本,根据离子推力器工作过程的宏观描述以及寿命理论预估方法,基于Matlab/Simulink建立起离子推力器输入参数设计模型,实现了根据推力、比冲、效率等设计指标完成输入参数计算以及寿命预估的目的。结果显示:以30cm离子推力器为例,根据参数设计模型得到5kW额定工况下的关键输入参数与目前实际输入参数的比对误差均在5%以内,而模型得到的关键指标参数与冷启动试验测试值的比对误差同样在5%以内,3600h后的加速栅孔径刻蚀计算结果与试验结果比对误差在10%以内,证明了离子推力器输入参数设计模型的合理性,输入参数设计模型可用于后续同类型离子推力器的早期输入参数确定以及设计指标匹配性评价。     

被动吸气式电推力器气体收集装置性能仿真研究

为分析被动吸气式电推力器气体收集装置设计对其性能的影响情况,本文以200km超低轨道下立方星推进装置为应用背景,进行了被动吸气式电推力器气体收集装置的性能仿真研究设计,采用基于稀薄气体的自由分子流模型对进气道装置内气流进行了仿真,研究了不同关键参数,包括几何形状（抛物线型、圆锥型、棱锥型）、入口出口截面比、长度、进气道内壁光滑程度多种因素对气体收集装置集气效率的影响,选取典型参数模型计算其内部气压分布规律。仿真结果表明,在三种形状设计中抛物线型进气道对气体聚焦效果最佳,入口出口截面比越小、长度越大以及进气道内壁越光滑进气道性能越优。文中所设计10cm抛物线型被动式进气道能够实现对大气120倍的压缩效果。     

Maneuver control at high angle of attack based on real-time optimization of integrated aero-propulsion

To reduce the propulsion system installation thrust loss under high angle of attack maneuvering, a control method based on real-time optimization of the integrated aero-propulsion is proposed. Firstly, based on data fitting and physical principle, an integrated onboard model of propulsion system is established, which can calculate various performance parameters of the propulsion system in real time, and has high accuracy and real-time performance. Secondly, to improve the compatibility of optimization real-time performance and search accuracy, the online optimization control of aero-propulsion system is realized based on an improved trust region algorithm. Finally, by controlling the auxiliary intake valve, a good match between inlet and engine is realized, which solves the problems of intake flow reducing and total pressure recovery coefficient declining, and improves the installation performance of propulsion system. The simulation results indicate that, compared with the conventional independent engine control, the real-time integrated optimization method reduces the installed thrust loss by 3.61% under the design condition, and 4.58% under the off-design condition. Furthermore, the simulation on HIL (Hardware-In-the-Loop) platform verifies the real-time performance of integrated optimization method.     

霍尔推力器能量损失系统性评价方法

霍尔推力器典型效率在50%左右,其余能量在电离、加速、耦合等过程中耗散掉,为了明确推力器优化设计的重点方向,需要定量地研究各个物理过程中损失的能量。因此,本文从能量损失分析的角度入手研究影响霍尔推力器效率的典型物理过程及机理,建立了针对霍尔推力器能量损失的系统性评价方法,为霍尔推力器设计及优化提供理论支撑。从霍尔推力器能量转化过程入手,并以能量的最终作用对象及性质作为分类的标准,建立了新的能量损失体系,认为霍尔推力器损失的能量主要有：径向羽流动能、阳极沉积热能、壁面沉积热能、电离能、阴极耦合损失。针对各项损失能量建立了实验评估方法,实验结果显示,阳极热沉积、壁面热沉积、羽流发散导致的能量损失是制约霍尔推力器效率的主导因素,其占比分别达到5.2%、24.7%、6.1%。实验测得所有输出功率占输入阳极放电功率比例达到102.1%,经不确定度分析,认为是阳极热沉积、电离能、阴极耦合损失的高估导致的,但该方法诊断得到的各项损失相对数量级关系是确定的,利用实验校核了方法的可行性,为霍尔推力器性能以及设计水平的评价提供了新的视角。