国外电喷推进技术发展与趋势

电喷推进是一种具有高比冲、高效率、快启动、高集成度的微小功率电推进技术,非常适合于微纳卫星轨道转移、位置保持任务和引力波探测器等较大型航天器的高精度姿态控制、无拖曳控制等任务。电喷推进技术概念形成于1960年。国外电喷推进在经历了曲折的发展历程后,从20世纪90年代开始,在微制造、新材料、离子液体、高性能电源等技术大幅进步的推动下,取得了巨大进展,目前已经达到空间应用水平。美国、瑞士、英国研究电喷推进较深入,其中又以美国投入最大、创新最显著、成果最丰富。美国MIT大学提提出并开展了有利于实现高比冲和批产化的iEPS系列电喷推力器芯片研究,近年来主要在开展推力密度和可靠性提升的研究工作。Busek公司主要发展大推力和宽调节电喷推进。密苏里科技大学提出并开展了基于一种含能液体推进剂的、具有化学推进模式和电喷推进模式的化电双模微推进技术研究。密歇根理工大学则提出了基于铁磁流体的流体成型发射体电喷推进技术。本文通过对国外电喷推进发展历程、最新进展的研究,提出了电喷推进发展趋势以及对我国电喷推进发展的建议。     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超音速空气流的补燃室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。     

高超声速巡航导弹前体/进气道概念设计与优化

基于高超声速巡航导弹总体设计要求,采用等激波强度方法设计了前体/进气道基准构型,并运用数值模拟方法对基准构型进行了性能分析.在试验设计和CFD计算结果的基础上建立了前体/进气道优化设计模型,运用多目标粒子群算法对前体/进气道进行了优化设计,对优化后的前体/进气道进行了性能验证分析.结果表明:前体/进气道设计方法正确有效,基准构型能够满足设计的要求;通过多目标优化设计,可以找到设计变量之间的有效组合,能够进一步提高前体/进气道的综合性能.研究结果对导弹用超燃冲压发动机的总体设计具有一定参考价值.     

脉冲风洞发动机试验多油位多时序高精度燃料供应系统

针对脉冲风洞超燃冲压发动机试验要求燃料供应快速、稳定、精确的特点,设计了一套燃料供应系统,可多油位多时序高精度地实现试验模型燃料供应、模型点火器气源供应、气体节流气源供应等功能。该系统供应的燃料为乙烯、甲烷、氢气及其混合物。采用压力补偿装置,保持燃料稳定供应,实现燃料当量比精确控制。设计了由电磁阀和气动阀组合而成的快速供气阀门,阀门开启时间小于20ms,关闭时间小于30ms,实现燃料的安全、快速供应。对超燃发动机模型不同油位设计了专门的供油回路,通过电磁阀控制系统,实现多个油位不同时序的控制动作,时序控制精度达到1ms。给出了详细的系统设计回路,并对关键部件参数进行了计算。点火试验表明该系统可以为点火器提供稳定的空气和氢气,点火器正常时间超过500ms。在脉冲式直连式试验台上,进行了乙烯燃料超燃发动机试验,对该套供油系统进行了测试。试验监控了供油管道及模型壁面的压力分布,供油压力在试验时间内波动小于3%,发动机壁面压力显示燃烧性能良好。空气节流试验表明,该系统提供的时长为100ms、压力为4.7MPa的节流空气成功点燃了乙烯。     

燃烧加热污染空气对煤油超燃冲压发动机性能的影响

针对目前超燃冲压发动机地面试验设备普遍存在的工质污染问题,采用经过验证的数值计算方法开展了燃烧加热污染空气对煤油超燃冲压发动机性能的影响研究.以飞行马赫数为6.0作为基准状态,分别对纯净空气来流和不同参数匹配方案的污染空气来流下发动机整机流场和性能进行了数值模拟.计算结果表明:在压力参数中选择匹配静压时最接近于纯净空气来流的结果,选择匹配总压时差别最大;在温度参数中选择匹配静温时最接近于纯净空气来流的结果,选择匹配总温时差别最大;压力参数匹配选择的影响更具有决定性作用,需要优先考虑.研究结果可为认识整机污染效应影响,确定污染空气来流下地面试验模拟准则提供理论依据.      

马赫数为4的超燃发动机碳氢燃料点火试验

在直连式脉冲燃烧风洞设备上,开展了模拟马赫数为4,总温为935K的超燃发动机碳氢燃料点火试验.试验利用了点火器加引导氢气、引导氢气自燃辅助点火、节流加引导氢气3种辅助点火方式成功实现了乙烯燃料的点火并维持了稳定燃烧.试验研究发现:利用氢气自燃辅助乙烯点火,氢气质量流量范围为0.43~12.61g/s,氢气质量流量过大不能成功点火;利用节流加引导氢气的辅助点火方式,节流量为10%~30%,氢气注油压力为5MPa能够可靠点火.最后研究了乙烯从凹槽上游和从凹槽底部注油的发动机贫油点火极限和富油工作极限,研究发现两者的贫油熄火极限相近,为当量比为0.077,而富油工作极限差别较大,当量比分别为0.327和0.471.      

非对称喷管流动分离的预测

非对称喷管是超燃冲压发动机和涡轮基组合循环(TBCC)发动机中特有的关键部件,在跨大马赫数范围工作时,往往在非设计点下会出现严重的流动分离。针对非对称喷管在过膨胀状态下的流动分离现象,通过试验验证二维数值计算(计算采用计算流体力学(CFD)方法)的正确性,利用数值计算样本点拟合得到了非对称喷管在过膨胀状态下的分离准则表达式,并进一步通过不同构型的非对称喷管分离的试验数据来验证该准则的准确性和普适性。研究结果表明,通过特定非对称喷管计算分离数据获得的分离准则与试验结果吻合得较好,在所进行的试验模型和条件下,两者之间的均方根误差为3.68%,更好地说明了该分离准则对非对称喷管内的分离预测具有较好的准确性,同时也跨出了其普适性证明的第1步。     

MHD能量旁路超燃冲压发动机可行性分析

使用准一维模型对磁流体能量旁路超燃冲压发动机MPCE(Magneto-Plasma-Chemical Engine)进行了性能计算.考察了理想和非理想的超燃冲压发动机应用磁流体MHD(magnetohydrodynamics)能量旁路的效果,对于理想的超燃冲压发动机应用MHD反而会使发动机的性能降低;对于非理想的超燃冲压发动机,MHD的作用使发动机的比冲增加.考虑发动机工作的工程限制条件对超燃冲压发动机和MPCE的性能进行了比较,结果表明应用MHD可以扩大超燃冲压发动机的工作范围,在非设计马赫数下提高发动机的性能.计算了负载系数、通道压力系数等重要的设计参数对MPCE性能的影响,结果显示优化参数设置可以使发动机比冲增加,但是同时又会受到工程条件的限制.     

磁控进气道二维性能计算

超燃冲压发动机进气道通常都是针对某一特定的马赫数进行设计的,当飞行马赫数不在设计马赫数时发动机性能急剧降低,磁控进气道的应用很有可能解决这一技术难题.对磁控进气道内的流动情况进行了二维数值模拟.飞行马赫数大于设计马赫数时采用磁控进气道可以调整激波位置使激波回到设计点,并减小燃烧室入口处的马赫数.分析了霍尔效应对磁控进气道性能的影响,结果表明分段电极可以有效减小霍尔效应的不利影响.      

超燃冲压发动机一体化设计及数值模拟

以一体化设计的思想,对超燃冲压发动机各部件进行了初步设计.采用CFD方法对所设计的构型进行了流场数值模拟和性能计算,数值模拟结果与实验值比较吻合.分析总结了发动机各部件和整机的流场及性能变化规律,比较了发动机工作和不工作情况下的性能变化.研究结果对超燃冲压发动机一体化设计及其性能变化研究具有一定参考价值.