立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法与跨流域绕流问题模拟研究

通过对转动自由度松弛变化特性的研究,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,确立含转动非平衡效应各流域统一的Boltzmann模型方程。基于转动能量空间对分布函数进行守恒积分,得到计及转动非平衡效应的分子速度分布函数控制方程组,应用气体分子运动论离散速度坐标法对速度分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论统一格式。基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡影响的气体分子运动论边界条件数学模型及数值处理方法。由此提出模拟高稀薄自由分子流到连续流各流域转动非平衡效应的Boltzmann模型方程统一算法。通过对高、低不同马赫数1.5≤Ms≤25考虑转动非平衡效应的氮气激波结构与不同Knudsen数9×10-4≤Kn!≤10再入竖直平板、Ramp制动器、尖双锥外形跨流域高超声速绕流问题模拟研究,将计算结果与有关实验数据、广义退化Boltzmann与ES椭球统计模型等研究结果对比分析,验证含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法求解自由分子流到连续流跨流域绕流问题可靠性。     

典型隐身飞机的RCS起伏统计特性

雷达散射截面(RCS)起伏统计特性可以用来预测雷达的检测性能和评估飞机的散射特性。采用高频计算方法获取了6种典型隐身飞机在光学区8个频率点、两种极化方式、不同入射条件下的周向RCS统计数据。应用3种较新的起伏模型对统计数据进行拟合,通过对比分析各组数据的拟合效果,得出了各模型在数据拟合时存在的普遍规律:卡方(Chi-square)模型对概率密度分布曲线的峰值估计较为合理,对数正态模型容易将峰值高估,但在峰值之后卡方模型的拟合效果通常不如对数正态模型;统计数据均值的平方与方差之比越大(可达0.1~1.0),则卡方模型双自由度越大(可达1.1~1.5),拟合效果也越好,按Kolmogorov-Smirnov检验方法其误差在0.15~0.25范围内;统计数据的均值中值比越小(低至1.5~5.0),则对数正态模型拟合效果越好,误差在0.01~0.25范围内;在dB·m2单位制下,采用对数正态模型和勒让德多项式模型可以在更广的范围内更好地拟合各组数据,其拟合误差多在0.10以下。     

融合加速退化和现场实测退化数据的剩余寿命预测方法

针对先验信息为加速退化数据的情况,提出了利用非共轭先验分布进行Bayesian统计推断的剩余寿命预测方法。不预先假定Wiener过程参数值的分布类型,利用加速系数将加速应力下的参数值折算到工作应力水平下,进而使用Anderson-Darling方法确定参数值的最优拟合分布类型。在对参数值进行折算时,根据周源泉提出的理论对Wiener过程参数与加速应力之间的关系进行了推导。参数估计时,通过极大似然法得到超参数的估计值,利用WinBUGS软件实现Markov Chain Monte Carlo仿真得到参数的后验均值。通过某型军用电连接器寿命预测实例验证了所提方法的实用价值和研究意义,结果表明本方法可有效解决先验信息为加速退化数据时进行剩余寿命预测的难题。     

基于反问题设计方法的叶栅激波损失控制

为了降低跨声速叶栅通道中的激波损失,提高叶栅出口的总压恢复系数,以二维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了二维叶栅反问题设计方法,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,在保持叶片总载荷不变的同时,达到降低叶栅槽道中的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,首先运用德国宇航中心L030-4叶栅实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片载荷进行分析,并提出了一种叶片表面载荷分布参数化方法,运用该方法修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶型。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用二维反问题设计方法得到的新叶型激波强度明显降低,叶栅出口总压恢复系数以及马赫数较原型均有增加,叶栅气动性能明显提高。     

复合推进剂中铝粉粒度对分布燃烧响应和粒子阻尼特性影响

针对不同初始铝粉粒度的含铝复合推进剂,对其燃烧产物粒子阻尼特性和铝粒子分布燃烧响应特性进行了试验研究。试验结果表明:粒子阻尼的大小取决于流场中的凝相燃烧产物粒径分布和振荡频率,与推进剂中铝粉初始粒度基本无关;粒子阻尼预估方面,采用单一粒径预估的阻尼值与实际测量的阻尼值相比,仍存在一定的误差(10%),需要进一步改进;分布燃烧响应方面,在同一振荡频率范围内,分布燃烧响应特性与复合推进剂中初始铝粉粒度有关,即初始铝粉粒度越大,在燃烧过程中产生的分布燃烧增益越大,这对于发动机燃烧的稳定性是十分不利的。     

Analytic estimation and numerical modeling of actively cooled thermal protection systems with nickel alloys

Actively cooled thermal protection system has great influence on the engine of a hypersonic vehicle, and it is significant to obtain the thermal and stress distribution in the system. So an analytic estimation and numerical modeling are performed in this paper to investigate the behavior of an actively cooled thermal protection system. The analytic estimation is based on the electric analogy method and finite element analysis（FEA） is applied to the numerical simulation. Temperature and stress distributions are obtained for the actively cooled channel walls with three kinds of nickel alloys with or with no thermal barrier coating（TBC）. The temperature of the channel wall with coating has no obvious difference from the one with no coating, but the stress with coating on the channel wall is much smaller than that with no coating. Inconel X-750 has the best characteristics among the three Ni-based materials due to its higher thermal conductivity, lower elasticity module and greater allowable stress. Analytic estimation and numerical modeling results are compared with each other and a reasonable agreement is obtained.     

A novel method for importance measure analysis in the presence of epistemic and aleatory uncertainties

For structural systems with both epistemic and aleatory uncertainties, research on quantifying the contribution of the epistemic and aleatory uncertainties to the failure probability of the systems is conducted. Based on the method of separating epistemic and aleatory uncertainties in a variable, the core idea of the research is firstly to establish a novel deterministic transition model for auxiliary variables, distribution parameters, random variables, failure probability, then to propose the improved importance sampling(IS) to solve the transition model. Furthermore,the distribution parameters and auxiliary variables are sampled simultaneously and independently;therefore, the inefficient sampling procedure with an ‘‘inner-loop' for epistemic uncertainty and an‘‘outer-loop' for aleatory uncertainty in traditional methods is avoided. Since the proposed method combines the fast convergence of the proper estimates and searches failure samples in the interesting regions with high efficiency, the proposed method is more efficient than traditional methods for the variance-based failure probability sensitivity measures in the presence of epistemic and aleatory uncertainties. Two numerical examples and one engineering example are introduced for demonstrating the efficiency and precision of the proposed method for structural systems with both epistemic and aleatory uncertainties.     

航空发动机叶盘结构应力和变形的概率分析

为了更准确地描述航空发动机叶盘结构的变形以及控制的合理性,提出了1种高效、高精度的概率分析方法,即极值响应面法(ERSM,Extremum Response Surface Method),在分析中考虑了典型载荷(如热载荷和离心载荷)的动态性和边界条件的非线性等因素,合理地选取输入变量且考虑了参数的随机性和不确定性等,通过确定性分析得到叶盘结构的总变形和应力分布随时间的变化规律,同时找到其变形最大点作为概率分析的输入目标。通过科学合理的概率分析,不仅获得了其可靠度、拟合样本、样本直方图、极值响应面和累计概率分布函数并且对其应力分布和总变形进行灵敏度分析,得到了叶盘结构变形和应力分布的主要影响因素,同时给出了应力与总变形的相关性。最后,将ERSM与Response Surface Method(RSM)和Monte Carlo(MC)法进行比较分析,验证了ERSM在航空发动机叶盘结构分析中的有效性。     

冲压进气冷却对发动机舱温度分布的影响

冲压进气冷却是目前控制战斗机发动机舱内温度分布的主要方式。利用基于模型的发动机性能分析方法,提供不同工况下发动机分段热壁边界条件,通过非结构化网格和k-ε湍流模型方法求解流动与传热控制方程,数值模拟了某型发动机舱在典型飞行状态和发动机工况下的流动特征及流场关键参数分布,并与试验结果进行了对比分析。结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好,模拟方法能准确预测发动机舱温度场分布,为通风冷却系统和灭火系统的设计与优化提供依据。