应用气动谐振的气氧、煤油点火器的方案研究

为了实现液体推进剂火箭发动机的多次可靠起动,将气动谐振点火技术应用于气氧煤油的点火.提出了两种应用气动谐振的气氧煤油点火器方案:直接点火方案和间接点火方案.在直接点火方案中对气氧与煤油同轴喷入和煤油由顶部喷入两种不同的点火方式进行了分析比较.在间接点火方案中对点火火炬为富燃和富氧两种情况进行了对比分析.试验研究表明两种方案均实现了多次可靠的点火并生成了稳定的点火火炬.通过对两种方案的优缺点、工程上应用的技术可行性和存在的技术难点的分析,认为富燃情况的间接点火方案具有明显的优势并有望在短期内达到工程应用要求.      

氢氧谐振点火器多室同步点火研究

将气动谐振点火技术应用于塞式喷管发动机多推力室的多次同步点火,研制了新型的氢氧谐振点火器. 通过对点火器的点火响应时间、点火延迟时间、多次点火的重复性以及点火器寿命等方面进行试验研究,验证了新研制的点火器具有起动快、点火延迟时间短、多次点火重复性好、寿命长等特点.采用2个点火器联试的方式进行了5次同步点火试验,研究了连接管路对同步性的影响,并提出了进一步缩短同步性时差的方法,结果表明氢氧谐振点火器完全可以满足塞式喷管发动机多推力室同步点火的要求.     

环形喷嘴气动谐振加热性能

为了研究环形喷嘴的气动谐振加热性能,采用高精度高分辨率的NND格式差分求解二维轴对称雷诺平均Navier-Stokes方程,对环形喷嘴-谐振管系统气动谐振加热过程中谐振管内振荡流动过程进行了数值仿真,并对不同面积的环形喷嘴-谐振管系统进行了数值模拟.研究结果表明:环形喷嘴与圆喷嘴具有相似的谐振加热规律和流场特征,即利用环形喷嘴同样可在谐振管内产生强烈的高频激波振荡.随着环形喷嘴面积减小,每一个谐振周期中的谐振温升逐渐减小.而其能够产生强烈谐振的间距小于圆喷嘴-谐振管系统的间距,在小间距时可以在很宽的喷嘴入口压力范围内产生强烈的谐振,这为气动谐振点火器的结构小型化和工程实用性提供了理论依据.     

N_2O/C_3H_8点火器初步实验

为了研究氧化亚氮与丙烷的点火特性,首次提出了N2O/C3H8火炬式点火方案,设计、加工了点火器,并组建了点火实验系统,在不同的流量和余氧系数下进行了点火实验.结果表明:点火方案可行,喷嘴设计合理,雾化效果和余氧系数是决定点火器能否点燃的关键,余氧系数在0.222~0.321内点火器能可靠地被重复点燃并形成稳定的点火火炬.实验为N2O/C3H8点火器的进一步研究提供了参考,并为以后实现该点火器对发动机的成功点火奠定了基础.     

液体火箭发动机爆震波点火技术初步研究

对液体火箭发动机各种点火技术优缺点进行了对比分析,探讨了各种点火技术方案应用于未来先进推进系统的多管多次点火系统的可行性,讨论了各种点火技术应用方案的结构形式.对爆震波点火技术进行了初步研究,建立了气氢气氧爆震波点火的简化理论分析模型,对其在实际液氢液氧发动机中应用的具体方案进行了分析.分析结果表明,爆震波点火技术可以由低压混合气体产生高温高压的爆震产物,爆震波以高马赫数速度传播,迅速到达各点火位置.爆震波点火技术具备良好的同步性能和简单的结构方案形式,适用于液体火箭发动机多管多次同步点火.     

气动谐振加热效应的数值模拟

为研究谐振管内部的流动情况,建立了喷嘴-圆柱形谐振管系统的模型,利用二阶NND格式求解二维轴对称雷诺平均N-S方程,通过耦合求解传热方程在边界条件中考虑谐振管的传热,模拟气动谐振加热效应,得到了谐振管底部气体的压力与温度振荡曲线,计算结果与实验结果较为一致.结果表明,在约20 ms内即可完成对谐振管底部气体的谐振加热,且谐振管的传热是影响气动谐振加热温度的重要因素,在数值模拟中对其加以考虑可以提高计算准确性.      

喷嘴挡板式三通气动阀控缸特性分析

喷嘴挡板式三通气动阀控不对称缸常用于航空发动机起动系统的引气控制。在分析由固定节流孔、喷嘴挡板可变节流孔和容腔组成的喷嘴挡板式气动三通阀原理的基础上,建立了气动三通阀控不对称缸差动系统的数学模型,得到了气源、控制阀与气缸结构参数对三通阀控缸静、动态特性的影响规律。研究发现,通过增大空气填充速率和减少空气需求,可以提高喷嘴挡板式三通气动阀控缸的响应速度,例如增大喷嘴挡板式气动三通阀的固定节流孔直径、减小活塞有效面积、提高供气压力等；理论分析结果与实践结果一致。     

大流量气-气喷嘴响应面法优化设计

为研究以气氢和气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴设计参数对推进剂燃烧位置的影响,利用正交表指导喷嘴设计,并对燃烧室流场进行数值模拟.结果表明:在单喷嘴流量相当于航天飞机主动发动机单喷嘴流量8倍的工况下,同轴双剪切喷嘴能实现高的燃烧效率;极差和方差分析显示氢/氧的速度比是对推进剂的燃烧位置影响最大的设计参数,而中心氢流量比例和氧喷嘴的壁厚对燃烧位置的影响不显著.通过构造基于正交多项式的响应面,获得同轴双剪切气-气喷嘴的优化组合参数.     

气动谐振管加热机理数值研究

放置在高速喷流中的半开口气动谐振管在一定的条件下会出现加热现象.针对这一现象,利用数值计算方法计算了一维非定常非线性Euler方程组,采用MacCormark格式,对不同管口条件下谐振管内的振荡过程进行了数值研究.研究发现,当管口压力变化频率处在谐振管的线性谐振频率附近时,管内形成的激波以及激波的反射增强导致了谐振管端壁区域明显的加热效果.对不同的驱动气体和不同的谐振管型式(圆柱形和圆锥形)的数值研究也给出了有价值的结论.研究结果与实验事实或现象是相吻合的.      

面向立方星变轨任务的机动控制策略

为了实现立方星在轨飞行与变轨,基于模块化推进器系统提出混合控制策略实现微小卫星轨道持续变化任务需求。首先,针对多单元立方星单一主推进器的结构部署,基于高斯变分方程采用连续低推进力实现轨道机动变化。为了实现对立方星主推进器的指向调整,基于姿态动力学模型利用PD连续姿态控制求得所需扭矩,实现对立方星的指向角和指向角速度调节。针对配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)不连续的特点,通过搜寻μ PPT最优脉冲序列组合获得实际扭矩,满足对外部干扰的持续补偿以及立方星的姿态稳定和指向调整操作需求。此外,引入姿态误差敏感度阈值,使姿态控制器在能够提高系统鲁棒性的同时减少μ-PPT消耗。最后,通过对3U立方星在轨飞行与变轨的具体案例分析,表明所提出的基于微推进器系统的混合控制策略能够实现立方星轨道机动变化需求。     

应急轨道机动变轨方案快速设计算法

为了满足应急轨道机动过程中测控约束和时间、燃料资源等各方面的要求 ,提出了一种变轨方案快速设计算法.给出了适用于变量搜索的轨道机动变轨模式,将变轨 方案快速设计问题转化成了约束优化问题;建立了完整的测控约束数学模型和对测控约束的 处理算法;然后利用遗传算法搜索出了同时满足测控约束条件和优化目标的变轨方案.算例 表明,利用此算法设计得到的变轨方案,能够满足应急轨道机动任务的需要.      

A lunar cargo mission design strategy using variable low thrust

A design technique for a near optimal, Earth–Moon transfer trajectory using continuous variable low thrust is proposed. For the Earth–Moon transfer trajectory, analytical and numerical methods are combined to formulate the trajectory optimization problem. The basic concept of the proposed technique is to utilize analytically optimized solutions when the spacecraft is flying near a central body where the transfer trajectories are nearly circular shaped, and to use a numerical optimization method to match the spacecraft’s states to establish a final near optimal trajectory. The plasma thruster is considered as the main propulsion system which is currently being developed for crewed/cargo missions for interplanetary flight. The gravitational effects of the 3rd body and geopotential effects are included during the trajectory optimization process. With the proposed design technique, Earth–Moon transfer trajectory is successfully designed with the plasma thruster having a thrust direction sequence of “fixed-varied-fixed” and a thrust acceleration sequence of “constant-variable-constant”. As this strategy has the characteristics of a lesser computational load, little sensitivity to initial conditions, and obtaining solutions quickly, this method can be utilized in the initial scoping studies for mission design and analysis. Additionally, derived near optimal trajectory solution can be used as for initial trajectory solution for further detailed optimization problem. The demonstrated results will give various insights into future lunar cargo trajectories using plasma thrusters with continuous variable low thrust, establishing approximate costs as well as trajectory characteristics.     

喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时,喷管几何形状对热流分布的影响;其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法,分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算,揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律,可以用于指导工程分析。      

静止轨道卫星东西位置保持控制参数的优化方法

为提高静止轨道卫星东西位置保持的轨道控制精度,提出一种优化轨道控制参数和推进剂消耗量估算的方法.这种方法考虑卫星轨道机动期间其姿态控制喷气对卫星轨道的摄动力,据此对位置保持参数中的轨控推力器点火时间进行补偿,并根据所有推力器的喷气时间估算推进剂消耗量,以修正轨控策略,实现更加精准的轨道控制效果.以在轨运行的静止轨道卫星的多次向西位置保持的变轨参数优化过程为实例,验证本方法的有效性和正确性,可应用于后续静止轨道卫星东西位置的实际操作中.     

电弧等离子体发动机初步研究

对一实验电弧加热式发动机二维轴对称亚跨超音速流动进行了数值模拟,所采用的方法是矢通量分裂算法.通过计算可以得出密度、速度、温度、压力和马赫数的分布.给出了计算所使用的网格和一些计算结果.简要介绍了实验所使用的设备,如电源系统、点火系统、推进剂供给系统、电弧加热式发动机、推力测量装置和真空系统.对所观察到的一些工作现象进行了讨论.有三种不同的不稳定性出现于实验过程.除了所测量的一些重要参数,通过实验发现氩比氮工作更稳定.     

天基激光移除空间碎片仿真平台研究与开发

为了从空间碎片和天基移除系统两方面分析激光驱动碎片变轨过程,优化移除任务规划和策略,基于真实的可观测空间碎片数据,设计并开发了一套天基激光移除空间碎片三维数值仿真平台。首先从总体设计出发,对三维数值仿真平台的需求分析、总体框架、模块功能进行了明确的描述。其次通过对激光驱动空间碎片变轨过程数学模型的分析,确定了各模块的具体实现方法。最后采用C++/Qt开发了三维数值仿真平台,通过仿真验证了设计平台的有效性。该仿真平台可用于不同天基平台和目标碎片的任务规划、碎片分布热点区域和航天器防护区域的方案设计及空间环境治理体系的优化设计。     

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。