氮氢混合气电弧加热发动机的性能试验

概述了用自制的脉宽调制电源供电，以氮氢混合气（模拟肼的分解产物）作推进剂的电弧加热发动机性能试验的情况及初步结果，试验表明，自制的脉宽调制电源工作稳定；在混合气作推进剂的情况下，DHSL－1和DHSL－2 发动机可以正常运行，但由于发动机的高温密封性能不好（漏气），测得的性能数据偏小。     

低功率氮氢电弧加热发动机非平衡数值模拟

文章对低功率氮氢电弧加热发动机进行了双温度化学非平衡数值模拟研究,模型中包含总的能量方程和电子能量方程,等离子体组分包括分子、原子、离子和电子等7个组分,采用的化学动力学模型中包含了氮氢组分解离、电离等重要的动力学过程,气体的物性根据当地的组分和温度实时计算。通过计算获得了发动机内部气体温度及各组分数密度分布。结果表明,发动机轴线附近等离子体接近热力学平衡,而在发动机阳极壁面电弧贴附区域等离子体明显偏离热力学平衡;计算获得的组分分布表明电弧加热发动机内存在反混合过程,即发动机内各组分分布与入口浓度分布明显不同。氢组分由发动机中心到阳极壁面沿径向呈现先减小后增大的趋势;而氮组分的浓度分布趋势与氢组分相反;进一步的分析表明,发动机内各组分的扩散主要受到气体解离和电离过程引起的浓度梯度所驱动。     

低功率N_2H_4电弧加热发动机高空模拟试验系统

介绍了用于低功率肼(N2H4)电弧加热发动机(Arcjet)的高空模拟试验系统,阐述了该系统中的高空模拟真空系统、推进剂供给系统、电源调理单元(PCU,Power ControlUnit)、微推力全弹性测量装置、数据采集系统以及其它配套设施.针对低功率肼电弧加热发动机地面试验的特殊要求,重点介绍了有毒推进剂肼(N2H4)的供给、微小流量测量、微小推力测量的方法与原理,并在该套系统上进行了系统功能验证性试验.试验证明,该套系统满足低功率肼电弧加热发动机高空模拟试验要求,为推进肼电弧加热发动机的研究与工程应用提供了保障.     

电弧推力器约束通道内流动特性数值模拟

约束通道对电弧推力器的性能有着重要的影响,文章采用基于局域热力学模型（LTE）的数值模拟方法对中等功率电弧推力器内等离子体流动进行了数值模拟,考察了电流、入口压力、约束通道尺寸及不同推进剂对约束通道内等离子体流动的影响,分析了约束通道内非均匀流动现象,最后对推力器的性能、效率等进行了讨论。计算结果表明,随着电流的增加电弧高温区变粗变长,随着入口压强的增加电弧高温区半径减小而长度增加,随着约束通道半径的减小电弧高温区变得细长,随着约束通道长度的增加高温区的长度增长而半径无明显变化,氢气的高温区明显小于氮气和氩气;约束通道内只有小部分气体通过高温区被电离,大部分气体沿着壁面附近的低温区流动;约束通道内焦耳热约占总焦耳热的60%~80%,主要受约束通道长度影响。     

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.     

富氢/富氧燃气同轴直流喷嘴燃烧过程数值模拟

为研究全流量补燃FFSC(Full Flow Staged Combustion)循环发动机气-气喷注器性能,以气氢/气氧(GH2/GO2)预燃室提供的758K富氢燃气和676K富氧燃气为推进剂对同轴直流喷嘴燃烧流场进行了数值模拟.考察了相同燃烧室结构、流量、入口燃气温度条件下,富氧燃气压降、富氢燃气和富氧燃气的速度比、氧喷嘴厚度和氧喷嘴缩进变化对燃烧性能的影响,获得了4个参数的影响规律.数值模拟结果对燃气气-气喷注器结构设计有参考价值.     

气气喷嘴推进剂入口温度对燃烧和壁温的影响

以同轴双剪切气气单喷嘴为对象,对气气燃烧流场进行了数值模拟,并进行了研究,分析了喷嘴推进剂入口温度对燃烧性能和室壁温的影响,结果表明:推进剂温度变化引起的燃氧动量比变化对燃烧和壁温起主要影响;富氢燃气状态变化对燃烧和壁温的影响大于富氧燃气状态变化.试验验证了数值模拟结果.      

自由分子流微电热推力器流动模拟与性能预示

为了精确的预示自由分子流推力器(FMMR)在不同工质、工况下的性能,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法模拟FMMR内气体流动,计算了不同工质气体、工作压强和加热温度条件下的FMMR推力、比冲等性能,分析了工质、工作压强和加热温度对FMMR性能的影响。计算和分析结果表明,工质气体的选择不影响FMMR的推力性能,但随着工质气体相对分子质量的减小,推力器比冲迅速增加;在总压50~500Pa,温度300~600K条件下,推力器的比冲随总压和加热温度的增大而增加,推力随加热温度增大而减小,随总压增大而增大。     

电弧加热发动机羽流电子温度的探针诊断

电弧加热发动机(Arcjet)由于其比冲远高于传统的使用化学推进剂的发动机,近年来引起了愈来愈多的关注。文章建立了一套在真空环境下利用静电探针诊断技术测量Arcjet羽流电子温度的实验装置, 并且对以氩气为工质的 Arcjet 的羽流进行了测量, 得到了羽流电子温度的轴向和径向分布情况, 以及电子温度随电弧电流和工质流量变化的趋势。实验结果表明Arcjet羽流轴线处的电子温度远大于重粒子温度。     

放电电压和屏栅电压对离子推力器性能的影响

利用试验和数值模拟相结合的方法研究6 cm Kaufman离子推力器放电电压和屏栅电压的变化对其工作性能的影响。试验中,离子推力器使用氩气作为推进剂,测量了多组不同工况下的性能参数。此外,基于Goebel的理论模型模拟了放电电压对束流电流和推进剂利用率的影响;采用单元内粒子 蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC方法模拟屏栅电压对束流电流、推进剂利用率和加速栅极电流的影响。试验和数值模拟结果一致,发现当放电电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定;当屏栅电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定,加速栅极电流先减小后趋于稳定。研究可以为提高多模式离子推力器的性能提供参考。     

减压直流等离子体射流电子温度的双静电探针测量

建立了一套双静电探针诊断系统,用于检测在气流量为4．2slm、弧电流为80A、真空室压力为165Pa的条件下纯氩直流非转移弧等离子体射流的电子温度及其分布。结果表明：发生器出口处射流中心的电子温度约为14500K,射流中电子温度随离开发生器出口的轴向或径向距离的增加而单调降低;径向电子温度梯度约为263K／mm,轴向电子温度梯度为69K／mm;射流中电子温度随弧电流增加而单调上升。     

减压直流非转移弧等离子体射流速度的静电探针测量

组建了一套利用静电探针诊断技术测量减压直流非转移弧等离子体射流速度的实验系统。对以纯氩为工质的等离子体,在气流量1．25×10^-1kg/s、弧电流80A、真空室压力165Pa的条件下,测量了射流的速度及其分布。结果表明射流在发生器出口处中心最高速度约为1200m／s,在半径20mm处减小到635m／s。沿射流轴线方向的速度梯度约为10（ms^-1）／mm。射流速度随着弧电流增加而缓慢单调增加;当真空室压力从165Pa提高到2kPa时,发生器出口轴线上的射流速度从1200m／s降至570m／s。     

超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究

研究了超临界压力下碳氢燃料航空煤油RP-3在竖直细圆管内混合对流,分析了浮升力及热物性对碳氢燃料在垂直管中对流换热的影响。实验中控制热流密度从200~500 kW/m2变化,进口压力变化范围为3~5 MPa,进口雷诺数从5 000~10 500范围内变化。研究表明:在向上流动情况中进口段存在较为明显的入口效应,换热出现恶化现象,而在向下流动中未出现;对于向上和向下流动,由于热物性的综合影响,换热系数沿流动方向增大;在较低进口雷诺数(Re=5 700)时,对于向下流动,随着浮升力影响的增大,浮升力改变了流体径向速度分布,出现了换热强化;在较高进口雷诺数(Re=10 500)时,浮升力对换热的影响依然显著;判别式Bo*数小于5.6×10-7未能预测浮升力对碳氢燃料换热影响。      

操作参数对组合式吸热器热性能的影晌

针对3种不同相变温度的相变材料组成的组合吸热器,建立了相应的物理模型,给出了数值求解方法,计算了工质入口温度、工质流速及输入功率等操作参数对组合式吸热器热性能的影响,得到了容器壁面最高温度、工质出口温度、换热管总相变蓄热材料(PCM)熔化率等结果.结果表明操作参数对吸热器热性能有较大的影响,合理选取这些参数对吸热器的正常运行是非常必要的,结果可以用于指导吸热器的设计.      

CARET进气道亚音速气动特性研究

通过对一种Caret型进气道进行试验与流场数值计算研究,给出该型进气道亚音速的基本气动特性.在低速情况下,进/发匹配点处由于流量系数较大,管道内往往存在分离,这是总压恢复降低的主要原因.试验表明在进气道出口的左上角存在低能量区,而数值计算显示在进口外下角处首先出现流动分离,分离在管道内发展时并未沿周向旋转.      

射流对高超声速进气道起动性能的影响

为探索利用射流技术降低进气道起动马赫数的可行性,对二元高超声速进气道二维流场进行了数值模拟,通过对比不同工况的流场结构、流量系数及总压恢复系数,分析了射流对高超声速进气道的作用效果,并研究了射流速度、压强及倾角对进气道起动性能的影响。分析结果表明:施加射流,激波与进气道边界层原有干扰形式发生改变,是降低进气道起动马赫数的主要原因。研究还表明,增大射流速度利于提高控制效果,但持续增大射流速度,会造成隔离段反压升高,并且这一现象与射流压强相关,降低射流压强能使进气道起动的射流速度区间扩大,同时在不同射流倾角下,上述规律表现一致。该研究揭示了进气道起动能力随射流参数变化的系统性规律,可用于指导工程设计及优化。     

基于凝结实验平台的音速喷嘴凝结现象研究

音速喷嘴中流动的蒸汽或含湿气体由于自身的温降而发生凝结现象,对音速喷嘴的计量会产生一定的影响。针对音速喷嘴凝结现象和自激振荡的复杂变化情况,利用一套凝结实验平台研究了音速喷嘴内湿空气凝结现象,得到了不同条件的喷嘴沿程压力,并建立了凝结流动Eulerian两相模型,对凝结现象的影响因素进行了数值分析,使实验结果得到了验证和补充。结果表明,载气的压力、温度、湿度会对凝结产生比较大的影响。凝结发生位置伴随载气温度、湿度的提高而前移,强度有所增大。随着载气压力的增大,凝结发生位置前移,但是强度相对减弱。自激振荡的频率与载气湿度、温度呈正相关,与载气压力呈负相关,振幅与载气的压力、温度、湿度均呈正相关。     

基于辅助进气门的进气道/发动机一体化控制

针对进气道与发动机的耦合问题，研究了低速大迎角状态下，基于辅助进气门的进气道/发动机一体化控制。首先，建立了飞行条件、迎角、辅助进气门开度与出口总压恢复系数和流量相关联的进气道实时模型，进而将进气道出口流量和发动机进口流量相匹配，建立了进气道/发动机一体化模型的控制仿真平台。其次，为了解决大机动过程中发动机进口流量不足和压力不均的问题，提出了一种带有辅助进气门调节的进气道/发动机一体化控制方法，即通过调节辅助进气门开度实现进气道出口总压恢复系数控制，在保证进气道出口性能稳定的情况下，基于H_∞鲁棒控制方法实现对发动机转速和压比的控制。研究结果表明，在整个大机动过程中，所提出的进气道/发动机一体化控制可以使得发动机各项性能保持稳定，在典型任务工况下，推力提高了16%，耗油率下降了6%。      

应用修正湍流模型对旋转通道内换热的模拟

针对旋转光滑矩形通道分别应用针对旋转状态修正的 k-ε、标准k-ω以及提出的针对旋转状态修正的k-ω湍流模型进行流动和换热的数值模拟,通过与实验结论的对比,讨论了采用不同湍流模型对计算结果的影响.计算工况为旋转数Ro=0.24,流体进口雷诺数Re=25000.计算结果表明:采用所提出的针对旋转状态修正的k-ω湍流模型的计算结果要比采用针对旋转状态修正的k-ε以及标准k-ω湍流模型的计算结果更接近实验结论.