固体火箭发动机羽流温度和热流密度测量

为了获得固体火箭发动机喷管外流场的温度和热流密度,同时提高测量结果的响应程度和准确性,提出了一种固体火箭发动机外流场温度和热流密度新的测量方法。该方法应用了一套相同尺寸不同材料的双热电偶测温装置和热流测量计的组合测量装置,测量了发动机喷管外高温燃烧产物的温度和热流密度。采用FLUENT软件对固体火箭发动机喷管外流场开展了数值仿真,仿真结果与该方法的实测结果近似,进一步验证了该方法的正确性。研究结果表明,固体火箭发动机点火后喷管外部会产生高温高速的羽流,并伴随着一串串明显的激波,随着飞行高度不断攀升,羽流对外充分膨胀做功,其扩张角不断增大,激波也逐渐消失,同时该测量方法也可以为火焰导流槽的结构和热防护设计提供数据支持。     

基于PIC/MCC/DSMC方法霍尔推力器热分析

以提高霍尔推力器性能和使用寿命为目的对霍尔推力器进行了热分析。建立了等离子体在通道陶瓷壁面和阳极的能量沉积计算模型,并将模型耦合到PIC/MCC/DSMC流场计算程序中,计算加速通道壁面上的能量沉积分布。将计算得到的壁面能量沉积作为霍尔推力器温度计算的热流边界条件,考虑结构间的热传导与热辐射,计算温度分布。为了考察壁面的热流分布方式不同对温度场的影响,在总热流相同的情况下,将通道热流假定为线性分布与平均分布,计算霍尔推力器的温度分布。结果表明,壁面能量沉积占总功率的20.4%,陶瓷壁面能量沉积沿轴向位置先增大后减小,最大值在电离区。阳极的能量沉积,沿径向在中间位置达到最大,两端靠近壁面处较小。三种热流边界条件下的温度结果表明,三者最高温度都为700K左右,但高温位置不同,PIC热流边界条件下,最高温在电离区,而线性与平均热流边界条件下,高温区分别在出口区与近阳极区。通过与实验结果比较表明,PIC计算热流边界条件下高温区温度与测量者吻合更好,误差小于0.8%。     

金刚石对霍尔推力器通道壁面抗溅射性能的影响

为了提高霍尔推力器的寿命,提出将放电通道内的氮化硼陶瓷材料换为金刚石的方法,以此来提高推力器的抗溅射性能。文章主要通过研究金刚石对推力器磁场的影响及其二次电子发射特性,分析了以金刚石作为通道壁面的可行性。文章还采用称重法对镀上金刚石的氮化硼陶瓷靶材试件进行离子轰击溅射试验,使用半经验公式求出金刚石的溅射产额与离子入射角度的关系,并应用粒子运动模拟程序预测金刚石壁面通道半径的变化,得到壁面削蚀速度。试验结果表明,金刚石在不同入射角度下的溅射产额比氮化硼陶瓷相对减少75%。壁面轮廓模拟结果表明,金刚石能使通道壁面的削蚀情况得到改善,0.7mm厚的金刚石可以抵抗大约5000~6000h的溅射削蚀,对于提高霍尔推力器的寿命有一定的意义。     

二级火箭喷流对底部热环境影响的数值模拟

为研究二级火箭工作时对底部热环境的影响,在不同喷管固壁热辐射和飞行高度条件下,用Fluent软件自发动机喷管喉部处计算喷流流场和底部区域内给定平面的对流热流密度,并建立了三维反向蒙特卡罗（RMC）法模型,同时根据HITRAN数据库计算气体红外辐射特性,获得喷流对给定平面的辐射热流密度,两者相加即为喷流到达研究平面的总热流密度。结果表明：热辐射和热对流在底部产生的热效应趋势不同。     

Hall推力器羽流数值模拟

以稳态等离子体推力器(SPT)羽流流场为研究对象,基于直接蒙特卡罗模拟与粒子单元混合方法建立数值模型,模拟等离子体稳态流动,研究流场特性。将计算结果与实验数据相比较,并与同类推力器羽流参数进行比较,以保证仿真可靠性。研究表明,所建立的仿真模型能够较好地预测SPT羽流电子数密度和离子电流密度等参数。     

同轴型微阴极电弧推力器的设计及性能测试

为了给微纳卫星在轨动作提供合适的推力,研制了一种同轴型微阴极电弧推力器(CA-μCAT),采用同轴布置的棒状阳极和圆筒形阴极,利用真空环境下电弧放电产生的高温烧蚀金属阴极,电离产生等离子体,并在多物理场耦合作用下高速喷出推力器产生推力。文章分别对该推力器的放电特性、推进剂烧蚀速率、等离子体离子电流、元冲量等多个参数进行了测量与分析。结果表明,该推力器能够持续稳定点火运行,电离率在4%～7%;无外加磁场下,元冲量和比冲分别为0.485μN·s和195.6 s;在磁感应强度为0.044 T时,元冲量和比冲分别为1.285μN·s和518.2 s;平均推力在10μN量级。     

超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热基于OpenFOAM的数值模拟

为了考察对流和辐射传热对燃烧和流场以及壁面热流密度的影响,基于OpenFOAM平台,采用基于k-ω湍流模型的剪切应力输运(SST)模型,结合二维P1模型、随机欧拉解(SEF)法及k-distribution谱带模型计算燃烧室内燃烧、流动、燃气辐射和壁面对流及辐射热流密度。计算分为燃烧/流动与辐射解耦和耦合两种情况,前者的壁面辐射热流与文献解耦计算结果吻合较好,在此基础上考察耦合时热辐射对燃烧和流场参数及壁面热流的影响。结果表明:解耦条件下壁面最大辐射热流密度达55 W/cm~2,辐射与对流热流密度之比达40%以上,但位置与最大辐射热流位置不一定相同,燃气最高温度与不考虑辐射时相比降低120K左右;在耦合计算中,燃气最高温降低近200K,燃气高温区面积增大而平均温度降幅较小。     

直流电弧等离子体炬电极烧蚀特性分析及实验测量

为研究直流电弧等离子体发生器电极烧蚀特性，进而为其寿命评估提供依据，对直流电弧电极烧蚀特性进行了分析，探究电极烧蚀率的主要影响因素并推导了相关准则数。搭建了电极烧蚀实验系统，对钨电极烧蚀特性进行了实验研究。结果表明:在相同输入功率下，电弧放电过程中阴极与阳极的烧蚀率基本相同且不随时间变化，如2.2 kW时，烧蚀率保持13.88 mg/s不变;在实验功率范围内，电极烧蚀率与输入功率近似呈三次函数关系。利用之前推导的准则数，建立了计算烧蚀率的实验关联式。     

霍尔推力器放电室壁面溅射产额研究

霍尔推力器放电室壁面经受低能量(不大于300e V)离子的溅射是影响其寿命的关键因素之一。为了获得放电室壁面材料(BNSi O2)的溅射产额随离子入射角度和能量的变化规律,采用真实霍尔推力器提供275e V的氙离子在真空舱内轰击靶材,利用称重法获得实验参数下的溅射产额。为了克服单纯依靠实验测量耗时耗钱且更低能量的离子溅射实验测量误差会陡然增大的缺点,采用前面实验结果修正了基于蒙特卡罗(MC)方法的SRIM软件溅射产额计算参数,并采用文献实验结果对不同能量下的模拟结果进行验证。在此基础上,用SRIM软件较为详细地考察了入射离子能量低于300e V时入射角度和能量对霍尔推力器放电室壁面材料溅射产额的影响规律。结果表明,溅射产额随离子入射角度先增大后减小,而随入射离子能量则呈现增大的趋势,但当能量小于100e V时,溅射产额逐渐趋于一个非常小的数值。     

霍尔推力器寿命实验和计算分析

为了准确高效地预估霍尔推力器寿命,利用在真空舱内工作较短时间后的霍尔推力器结合三坐标测量仪测量其放电室陶瓷绝缘内外壁面轮廓的直径沿周向的变化情况,以此作为输入参数结合概率密度公式获得了高效率的半经验公式法模型和计算结果。采用文献算例对模型和计算代码进行了验证,表明改进后的模型和算法能够在霍尔推力器短时间运行的测量结果基础上较为准确地预测长时间工作后放电室壁面轮廓形状,进而得到推力器的使用寿命。在此基础上,针对影响HET-40推力器寿命的主要因素进行了考察,获得了相关的影响规律。结果表明,其他条件不变的情况下,霍尔推力器的寿命与输入功率乘积近似常数,对于本研究对象,该常数大约为3.6×106 W·h。