某航天器发动机机组热分析及在轨应用研究

为给某航天器机组热控设计、飞行任务中各种新工况下机组的温度适应性分析和飞控判据提供有效数据支撑,以该航天器某发动机B机组模块作为研究对象,采用IDEAS软件建立了有限元模型,在航天器三轴对地姿态下对该发动机机组温度进行了计算并对热模型进行修正,对飞行数据和热分析结果进行了比对。之后应用该热模型,完成了高温工况1下热控适应性设计工作,开展了组件温度与在轨数据比对工作;并进行了高温工况2中不同太阳入射角下B机组氧阀温度研究。结果表明:B机组热分析得到了在轨飞行的验证,有限元模型有效并且合理;该热模型应用于不同热控状态、位置以及工况下来解决实际热控难题,并可预示不同太阳入射角下的氧阀温度;航天器的运行轨道、飞行姿态以及机组安装位置都是影响机组温度的重要因素,在热控设计中应引起足够重视。     

双组元150N发动机头部热控组件温度适应性研究

为获得双组元150N发动机头部热控组件在低温工况下的加热能力以及发动机长程点火期间头部热控组件各处的温度分布、性能变化，应用有限元分析软件I-DEAS/TMG在给定的温度边界条件下进行了仿真分析，分别获得了低温工况下头部稳态平衡温度以及发动机长程点火期间头部瞬态温度。搭建了试验装置，通过电热炉对头部烘烤，设定控温点为400℃，恒定时间45min，获得了头部热控组件各处的温度分布及加热器阻值的变化。通过仿真计算和地面试验，得出以下结论：（1）热控组件能保证发动机在最恶劣低温工况下温度高于0℃；（2）在地面试验工况包络发动机在轨最长工作时间2500s的情况下，包含加热器、热敏电阻、导线等在内的热控组件均处于有效工作状态，为热控组件的高温耐受能力提供了有力支撑。     

超燃冲压发动机非对称喷管非设计状态性能计算

由非对称喷管的设计程序,以实际飞行马赫数6为设计条件,取不同的几何控制参数,获得一系列对应的喷管等熵型线。对其进行附面层修正后,在不同飞行工况下,用CFD软件分别对不同外型的喷管流场进行了计算,讨论了上下壁面进口处初始膨胀角之比F对非设计工况下喷管性能的影响。然后,对F=0的喷管型线截去约60%,用CFD软件计算了不同飞行工况下的流场,讨论了截短对非对称喷管非设计状态性能的影响。结果表明:F对非设计状态喷管性能影响显著;截短后喷管进出口冲量差减小,升力和俯仰力矩减小。     

30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm;在10W、70W和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

空间机械臂关节的热设计与热分析

针对空间机械臂关节内部功耗大、散热路径复杂、工作时间长、工作姿态复杂多变的热特点,对空间机械臂关节进行了详细热控设计,并进行了低温工况和4种高温工况下的热分析。通过低温工况的分析计算,得到了主动热控平均功耗为14.5 W,关节温度在-30.8～-20.8℃范围内,满足存储温度指标。高温工况分析了不同阳光照射状态下关节的温度分布及最长可工作时间,关节在极端高温状态下可工作2 h,满足使用要求。     

载人飞船密封舱热舒适性评价

结合在轨飞行数据,采用PMV-PPD模型对载人飞船密封舱热舒适性进行了评估,基于在轨飞行数据计算了载人飞船PMV值,分析了密封舱空气温度、湿度以及舱内壁温度对热舒适性的影响。同时针对目前载人飞船实际情况,提出了通过提高舱壁辐射温度改善密封舱热舒适性的方法,可为后续的载人航天器特别是载人飞船密封舱在热控设计中提高热舒适性提供参考。     

卫星推进系统温度均衡性控制方法研究

卫星推进系统在轨需要进行温度控制,尤其需要对推进系统的贮箱、管路温度进行合理的控制。针对小卫星、微小卫星热控资源紧张的情况,以及当前的热控设计方法在不同温度环境分布的推进系统应用中存在的温度分布不均的情况,提出了一种优化的推进系统热控设计方法。在常规热控设计方法中考虑测温点最小值的同时,考虑了测温点的最大值因素,并根据最小值、最大值与控温区间的关系确定加热回路的开/关关系。采用本方法在整星热平衡试验中对推进系统进行了温度控制验证。试验结果验证了同时考虑控温区间上限和下限的热控设计方法的可行性和合理性。卫星在轨飞行阶段的推进系统参数验证了该温度控制方法能获得更好的推进系统温度分布均匀性,并保证了工作温度区间上限的裕度。     

尖楔结构低速高/中温双路气流组合热试验方法

在典型高超声速飞行工况下,数值模拟分析了高温合金尖楔前缘结构沿气流方向大温度分布梯度将带来严重的热强度问题,产生大温度分布梯度的根本原因是尖楔结构头部区域平均热流密度与后段平板区域平均热流密度之差,而受头部区域热流密度具体分布的影响不大;进而提出了一种低速高/中温双路气流组合热试验方案,并通过数值模拟方法证明了该方案具有两股气流参数可以独立调节分别满足尖楔结构头部驻点区域及后段平板区域大、小两种热流密度的优点,进而解决单喷口低速高温燃气流热模拟试验难题,满足尖楔结构高超声速飞行工况下大温度梯度模拟要求.同时,该方案通过高/中温气源的合理组合搭配可以大大降低尖楔结构热试验所需高温气源发生功率,推广应用于电弧风洞可拓展其热试验范围.      

基于膨胀度可控的SERN设计及试验验证

单边膨胀喷管（SERN）是超燃冲压发动机的关键部件,由于其几何非对称,在发动机点火/熄火瞬间,SERN会产生较大的冷热态俯仰力矩差,影响飞行器的稳定性。现有解决方法主要是利用几何/气动调节方式,但都有不利影响。本文提出了基于膨胀度可控的SERN设计的新方法,将采用该方法得到的喷管模型B与基准喷管模型A进行了对比研究,并对模型B进行缩比冷流试验,试验与数值模拟结果吻合良好。研究结果表明：飞行马赫数为4.5时,模型B的推力系数比模型A仅仅下降了0.1%,而模型B比模型A的冷热态俯仰力矩差减小了80.49%;飞行马赫数为6.5时,模型B的推力系数比模型A不仅上升1.1%,同时模型B比模型A冷热态俯仰力矩差还下降12.73%,验证了设计思想的正确性,为提高SERN俯仰力矩性能提供了一种新的思路。     

Scramjet尾喷管几何调节方案的计算与实验研究

高超声速飞行器飞行接力点和巡航结束点尾喷管冷、热态俯仰力矩差较大,给飞行器的飞行姿态控制造成严重影响。为了减小喷管冷、热态俯仰力矩差,提出了在喷管上膨胀面末端增加移动板进行调节的方案,并进行了详细的三维数值模拟和相应的风洞缩比冷流实验研究。计算结果表明,Ma=4.5时,调节移动板伸出400mm,喷管冷、热态力矩差最大减小21.74%,推力系数损失1.64%;Ma=6.5时,调节移动板喷管冷、热态力矩差可降低77.59%,而推力系数只减小1.35%,调节收益非常明显。最后通过将喷管各调节状态下的冷流缩比实验壁面压力数据与计算结果的对比,证明了该调节方案的计算方法及其结果是可靠的,同时得出该调节方案可以有效地降低冷、热态力矩差的结论。      

基于膨胀度可控的 SERN 设计及试验验证简

 单边膨胀喷管（SERN）是超燃冲压发动机的关键部件,由于其几何非对称,在发动机点火/熄火瞬间,SERN会产生较大的冷热态俯仰力矩差,影响飞行器的稳定性。现有解决方法主要是利用几何/气动调节方式,但都有不利影响。本文提出了基于膨胀度可控的SERN设计的新方法,将采用该方法得到的喷管模型B与基准喷管模型A进行了对比研究,并对模型B进行缩比冷流试验,试验与数值模拟结果吻合良好。研究结果表明：飞行马赫数为4.5时,模型B的推力系数比模型A仅仅下降了0.1%,而模型B比模型A的冷热态俯仰力矩差减小了80.49%;飞行马赫数为6.5时,模型B的推力系数比模型A不仅上升1.1%,同时模型B比模型A冷热态俯仰力矩差还下降12.73%,验证了设计思想的正确性,为提高SERN俯仰力矩性能提供了一种新的思路。     

民用飞机推力回收喷管经济性研究

正飞机在飞行状态时,电子设备舱通风系统需要根据设备热载荷向电子设备提供有效的通风量进行冷却以保障电子设备的可靠性,并通过排气系统将电子设备散发的热量排出机外。电子设备舱排气系统主要由排气风扇、低压管路、排气活门、推力回收喷管、单向活门和区域温度传感器等组成[1]。电子设备舱排气系统通过安装在低压管路和飞机蒙皮之间的推力回收喷管将废气排出机外[1]。该型民用飞机的电子设备舱排气系统的排气流量需满足飞机厨房和     

超燃冲压发动机喷管下唇板可调方案

高超声速飞行器在飞行接力点和巡航结束点受喷管冷、热态膨胀状态不同的影响,会产生较大的冷、热态俯仰力矩差,从而对飞行器姿态控制带来较大困难.针对该问题,研究了下唇板可调方案对降低冷、热态俯仰力矩差的有效性,对不同下唇板角度进行数值模拟,得到了喷管性能参数.结果表明:下唇板旋转6°时,设计马赫数Ma=4.5下冷、热态俯仰力矩差下降29.57%,推力系数减小0.42%.并且进行了下唇板角度可调方案的风洞试验和对应的数值模拟,对比发现数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的可调方案及数值模拟结果的正确性.      

单组元发动机推力室在轨温度数值仿真

建立了单组元发动机推力室系统(包括结构部件如隔热框、催化床、喷管等)的传热模型。在此基础上，应用有限元数值计算的方法，将模型进行轴对称Delaunay非结构化网格剖分，并完成瞬态温度场的模拟计算，进行推力室在轨温度的数值仿真。结合计算结果分析了热回浸现象、催化床电加热效能以及外空间辐射换热等问题。最后指出，隔热框的防热设计和空间辐射散热有效地隔绝了热回浸对电磁阀和喷注器的不良影响，并论证了催化床的电热丝加热是保证催化床在工作前维持一定温度范围之内的可靠方法。     

二元喷管热喷流的红外光谱辐射特性实验

为了获得涡扇发动机二元喷管热喷流的红外辐射特性,分别对喷口面积相等且宽高比分别为1,4,8,12和16的二元喷管的热喷流的红外辐射特性进行了测试,并与轴对称喷管进行了对比。喷管内涵通道的气流温度为500℃,外涵通道的气流温度为环境温度,内、外涵气流的流量比为1:3。通过实验,获得了各个喷管的热喷流在3~5μm波段的红外光谱辐射强度分布和积分强度。结果表明,采用宽高比大于1的二元喷管能够有效降低热喷流的红外辐射,但是在宽高比大于8以后二元喷管热喷流的红外辐射不再随宽高比的增加而明显减小。     

部件冷却对二元俯仰矢量排气系统红外特征抑制实验

实验测试了采用中心锥气膜冷却和喷管冲击-气膜冷却的二元俯仰（2D-CD）矢量排气系统，在几何偏转0，10，20°三种角度下，壁面温度和红外辐射特征分布，并与未冷却状态进行了对比分析。结果表明:前密后疏的气膜孔排布形式可有效减小热侧面高温区域大小。中心锥冷却时，密流比为0.8条件下壁面冷却效率达45%~63%，排气系统尾向±10°范围内红外辐射强度下降20%；但是由于冷气流注入，导致下游壁面（隔热屏、喷管）温度升高，在30°探测方向上红外辐射强度上升15%。喷管冷却时，收敛段（密流比为0.25）冷却效率达19%~33%，扩张段（密流比为0.65）冷却效率达75.5%~83.5%，侧壁段（密流比为0.65）冷却效率达78%~90%，导致在排气系统尾向15°~75°范围内，红外辐射强度下降30%以上，最大降幅达80%（几何偏转20°，宽边探测面30°探测方向）。      

超临界二氧化碳超声速喷管设计与性能分析

超临界二氧化碳由于其独特的物理性质而受到广泛应用。同时超临界二氧化碳真实气体效应显著，其流动机理和理想气体差别较大，因此需要设计相应的喷管。采用特征线法设计超临界二氧化碳超声速喷管，其中二氧化碳的热力学参数基于S-W方程获得。通过CFD粘性仿真进行边界层修正。分析了改变喷管入口总压、总温对喷管内流场的影响。结果显示，设计工况下喷管出口质量平均马赫数与设计值相差0.033%，喷管内流场品质较好；非设计工况下，由于温度变化会显著改变CO2的热物性参数，入口总温对喷管流场的影响比总压更大，当入口总压和总温分别降低83.33%,52.94%时，出口马赫数分别降低1.16%、提高3.23%。设计工况下喷管流场满足设计要求，非设计工况下喷管出口马赫数与设计值偏差较小。喷管具有较宽的工作域。     

卫星热控涂层地面模拟试验与在轨验证比对分析

卫星在轨运行期间，热控涂层要经受空间复杂环境效应的影响，其光学和热控性能逐渐下降，影响卫星可靠性和寿命。本文利用卫星搭载技术，完成热控涂层5年的在轨试验，验证空间多因素环境对热控涂层的影响。同时，利用地面模拟试验装置，模拟空间质子、电子、紫外等5年的辐照剂量对热控涂层的作用。对在轨试验结果进行解读和分析，并与地面模拟试验结果进行比对。结果显示，在搭载试验和地面试验前，热控涂层太阳吸收比（α_s）为0.12，经5年在轨搭载试验后，α_s退化为0.23。经地面模拟试验后，α_s退化为0.22。搭载试验和地面试验的热控涂层性能均呈现线性退化规律，表明在确定的轨道环境和固定的剂量率条件下，热控涂层的退化与环境作用时间正相关，同时验证了地面试验的有效性。     

内燃波转子热射流点火装置射流特性研究

为了将热射流点火更好地应用于内燃波转子,采用数值模拟的方法,针对所设计的热射流点火装置进行射流特性研究,分别研究了流量变化与喷管结构对热射流特性的影响。研究结果表明随着进口流量的增加,射流核心长度增加,而喷管出口面积减小并不能增加射流核心长度,如在进口流量为1.23g/s时,喷管直径小于7mm后射流核心长度急剧下降,但是喷管出口面积减小大幅度增加了射流动量。在相同位置特征截面上,核心区射流能量随质量变化呈线性分布,动量呈二次分布。     

激波后高温高速流场中的传热特性研究

激波后高温、高速流场中的热力学与传热特性分析是直接涉及到飞行器热防护设计与传热分析的关键问题之一,借助于多组分、考虑非平衡态气体的振动以及激波与热化学非平衡态效应的守恒积分型Navier-Stokes方程组,并用高分辨率总变差减小(TVD)格式进行求解,计算与研究了Apollo工程AS-202返回舱再入地球大气层的6个飞行工况(飞行马赫数15.52～22.63)以及Huygens飞行器再入土卫六大气层的6个工况(飞行马赫数17.29～24.47),分析了不同工况下弓形脱体激波后高温高速流场的热力学与传热特性,计算得到了沿壁面的热流密度分布、温度分布以及Stanton数分布,并与国外相关飞行数据进行了比较,两者吻合较好.相关计算可以指导有关飞行器的热防护设计.