地基激光清除空间碎片过程建模与仿真

 空间碎片对人类航天活动的影响越来越大,用地基高能脉冲激光清除空间碎片被认为是一种可行手段。分析了地基激光清除空间碎片的原理,建立了碎片清除过程轨道动力学模型,通过选取两种典型的ps级和ns级激光器,对空间碎片的清除效果进行了仿真计算。结果表明:对于800 km和1 500 km轨道高度上的某典型空间碎片,两种激光器均不能在其一次过顶将其清除,需多次过顶才能达到清除效果;在进入大气层烧毁前,均需烧蚀一定的质量,而且轨道高度越高,烧蚀质量越多;ps级激光器比ns级激光器具有优势,15 kJ、 10 ns、 2 Hz的ns级激光器清除800 km和1 500 km轨道高度上的碎片所需总能量分别是150 J、1 ps、 65 Hz的ps级激光器的2.95倍和3.31倍。研究结果可为碎片清除方案制定和地基激光器参数选择提供依据。     

树脂基防热材料长时间烧蚀后的变形问题

针对树脂基防热材料长时间烧蚀后变形问题进行了分析,通过对某改性石英纤维织物/酚醛复合材料烧蚀后碳层厚度、不同温度线胀系数及力学性能的测试分析,提出内部热应力是导致材料长时间烧蚀后变形的主要原因.     

高强化活塞烧蚀失效研究

运用软件AVL FIRE对某型柴油机进行了有近壁燃烧工况时的燃烧特性的数值模拟,同时确定了该型柴油机在有近壁燃烧工况时活塞有限元计算的热边界条件,运用软件ANSYS进行了活塞的烧蚀过程有限元分析,得到了近壁燃烧对活塞烧蚀的影响规律,进行了活塞烧蚀的实机试验,模拟计算结果与试验结果基本吻合.结果表明:所建立的烧蚀计算方法可以很好地模拟活塞的烧蚀过程;柴油机喷油器喷孔磨损变大将导致活塞喉口附近燃气温度和壁面传热系数在较大的曲轴转角内都保持较大的数值,从而使活塞发生烧蚀失效;烧蚀量随着喷油器孔径的增大先增大后减小,在孔径增大15%时达到峰值;烧蚀量随着烧蚀时间的增大而增大,但烧蚀的速度在缓慢减小.      

C/C-TaC复合材料制备技术研究

难熔金属碳化物的加入可有效提高C/C材料的抗烧蚀性能,并成为近年来国内外研究的热点。文章主要介绍了中南大学在难熔金属碳化物TaC改性C/C材料制备技术方面的研究工作,主要包括含有Ta₂O₅的树脂/沥青浸渍-高温处理原位反应生成TaC的工艺方法、用含有有机Ta的树脂浸渍-高温处理原位反应生成TaC的工艺方法、预制体编织过程中加入TaC制备C/C-TaC的工艺方法、基于化学气相渗透法制备TaC及SiC/TaC中间界面层改性C/C材料的工艺技术以及基于化学气相沉积法制备抗烧蚀TaC及SiC/TaC难熔金属碳化物涂层的工艺技术。     

气相燃气速度对EPDM绝热材料烧蚀的影响

为了解气相燃气速度对EPDM绝热材料烧蚀的影响,在双基推进剂环境中对EPDM绝热材料进行了烧蚀试验研究。试验排除了粒子的作用,分析了两压强下的不同燃气速度环境中EPDM绝热材料的炭化烧蚀率、炭化层的结构特征以及成分分布。试验结果表明:燃气速度对炭化烧蚀率的影响较弱,对炭化层厚度的影响明显;不同燃气速度条件下炭化层断面具有相同的结构特点和相似的成分分布趋势;低燃气速度条件下烧蚀以热解炭化为主,高燃气速度条件下炭化层的机械破坏显著。试验结果可以用于进一步研究EPDM绝热材料烧蚀机理。     

Cleaning space debris with a space-based laser system

High-energy pulsed laser radiation may be the most feasible means to mitigate the threat of collision of a space station or other valuable space assets with orbital debris in the size range of 1–10 cm. Under laser irradiation, part of the debris material is ablated and provides an impulse to the debris particle. Proper direction of the impulse vector either deflects the object trajectory or forces the debris on a trajectory through the upper atmosphere, where it burns up. Most research concentrates on ground-based laser systems but pays little attention to space-based laser systems.There are drawbacks of a ground-based laser system in cleaning space debris. Therefore the placement of a laser system in space is proposed and investigated. Under assumed conditions,the elimination process of space debris is analyzed. Several factors such as laser repetition frequency, relative movement between the laser and debris, and inclination of debris particles which may exercise influence to the elimination effects are discussed. A project of a space-based laser system is proposed according to the numerical results of a computer study. The proposed laser system can eliminate debris of 1–10 cm and succeed in protecting a space station.     

气体压力对钛合金电火花诱导烧蚀加工的影响

氧气在电火花(EDM)诱导烧蚀加工过程中起到参与氧化放热、蚀除金属和冷却的作用。以气体压力为研究对象,通过理论推导,证明增加气体压力可提高气体流速、减小气体分子平均自由程、提高氧化扩散速度和气体蚀除力以及加速能量散失。通过测得不同气体压力下的击穿电压、击穿延时和工作电压,试验证实了气体压力对击穿电压和击穿延时有较大影响;通过建立EDM诱导烧蚀加工放电等效模型,表明工作电压变化是由电极和工件表面氧化引起的。研究了气体压力对EDM诱导烧蚀加工材料蚀除率(MRR)、相对电极损耗(REWR)和表面粗糙度的影响。结果表明:随着气体压力增大,材料蚀除率先增加后降低,电极相对损耗缓慢减小,表面粗糙度显著降低。     

碳基材料氧化烧蚀的双平台理论和反应控制机理

针对高超声速飞行器所到达的表面温度和压力范围,就碳基材料在氧化速率控制区、过渡区、扩散控制区的烧蚀特性开展了深入研究。发现CO2在烧蚀过程中扮演重要角色,是不能忽略的。无因次质量烧蚀率随温度变化的曲线应该存在两个平台,且都属于扩散控制区,而不是此前普遍认为的只有一个平台。从理论上阐明了双平台产生的机理,发现第一平台是由于生成CO2将氧消耗完产生的,另一个平台是生成CO引起的。文献中所谓的"快反应"和"慢反应"之说反映问题是不全面的,它们只是我们给出的新模型的两种极端情况,用一个统一的模型就可以将它们连接起来,而且随着温度的升高,会从所谓的"快反应"经过第一平台自动过渡到"慢反应"。双平台理论澄清了此前的一些争议,并且得到了试验证实,为准确预估烧蚀量奠定了基础。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验方法

基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,发展了一种用于固体火箭冲压发动机补燃室热结构及材料烧蚀研究的试验方法。采用该方法开展了某型室温硫化硅橡胶基绝热材料的烧蚀试验,试验分别在含氧化铝粒子侵蚀和无粒子侵蚀条件下进行,并根据SEM图对比分析了粒子对材料表面微观形貌的侵蚀效应。结果表明:无粒子侵蚀条件下的试样经烧蚀后膨胀并分层,其平均线烧蚀率为-0.025mm/s;而粒子侵蚀条件下的试样平均线烧蚀率为1.901mm/s,试样中心区域的陶瓷层被粒子完全破坏,只留下极薄的热解层和裸露的碳纤维端部,碳纤维周围的基体主胶、颗粒填料及芳纶纤维均被高速焰流氧化剥离,充分说明粒子对绝热层材料的强剥蚀破坏效应;同时也验证了该方法能较好地模拟固冲发动机补燃室内的烧蚀热环境,可用于材料配方的筛选和耐烧蚀性能测试。      

脉冲等离子体推力器放电电离二维PIC建模与仿真

摘要： 针对脉冲等离子体推力器（PPT）的放电过程,利用粒子网格 蒙特卡洛（PIC MCC）方法建立仿真计算模型.以LES 6 PPT为例,加入电离碰撞进行电离仿真.通过粒子运动碰撞与电磁场耦合仿真计算得到电流与电路总电阻的变化规律,揭示了PPT放电过程中等离子体密度分布情况.通过对比不加入粒子预分布与加入粒子预分布的两种条件下的计算结果,得到了加入粒子预分布使带电粒子密度计算结果更接近实验结果的结论.根据PPT的工作过程,在放电之前推力器内存在等离子体,所以在仿真研究中应进行粒子的预分布.文中的研究方法对PPT的粒子方法模拟具有一定的参考意义.