运载火箭推进剂复杂流动传热问题数值模拟中的模型简化方法

在运载火箭改进优化或新型运载火箭设计过程中,会遇到各种复杂的流动与传热问题。按照真实产品和物理过程直接建立的数值计算模型过于复杂,不同尺度的结构、流动与传热、长时间的飞行过程相互耦合,出现计算时间太长(数年)、收敛困难、程序调试困难等问题。针对初始条件复杂、飞行过程复杂、边界条件复杂3类具体问题,总结了3种相应的模型简化方法,分别是工程经验法、极限参数法、低维近似法,为推进剂复杂流动与传热的数值模拟提供参考。     

多碎片移除过程中的路径优化

采用蚁群优化算法对多碎片移除过程中的路径优化问题进行研究，然后采用改进的最速下降法对移除每块碎片的时间进行合理优化，进一步降低总的速度增量需求.对比轨道高度、轨道倾角或者升交点赤经的顺序后发现，采用蚁群算法优化之后的顺序移除碎片可以大大节省轨道转移所需要的速度增量.选取中国空间活动产生的三组碎片进行优化计算，结果显示在相同的任务时间内，优化后的顺序可能不同于轨道高度、倾角和赤经的顺序，并且优化顺序可以节省更多的速度增量.另外，任务时间也会对碎片的最佳移除顺序产生影响.      

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

微重力条件下上面级贮箱液体推进剂自由界面变形数值模拟研究

上面级在滑行期间经历微重力环境,其贮箱内的液体推进剂若管理失当,将影响主发动机的再次启动。文章采用流体体积法对微重力条件下某上面级液氧贮箱内自由界面变形问题进行数值模拟,并与理论分析值进行对比。研究结果表明,数值模拟计算得到的液体爬升高度和表面张力波传播速度与流体力学理论符合较好,证明该方法能够预示微重力条件下上面级液氧贮箱内的流体运动特性,可为后续上面级推进剂管理技术方案的制定及相关试验验证提供参考。     

微型紫外可见光谱仪及其电接口

介绍了一种体积小(180mm×120mm×100mm)、重量轻(2.0kg)、功耗低(10.8W)并适合于在空间应用的紫外可见光谱仪. 同时提出一种将紫外可见光谱仪连接到空间生物舱总控器上的接口方案. 利用该方案设计的接口电路, 成功地将紫外可见光谱仪中的光谱数据传送到空间生物舱的总控器上, 使得地面监控人员能够直观地看到紫外可见光谱仪的测量数据. 介绍了紫外可见光谱仪与空间生物舱中总控器接口的通信协议和接口结构, 通过RS232接口从光谱仪中获取光谱测量数据, 通过CAN2.0B接口将光谱数据传送给空间生物舱的总控制器, 进而给出系统测试结果.      

空间材料科学实验中的X光三维成像仿真

用于空间材料科学研究的X射线观察设备已列入空间站材料科学实验规划,仿真实现X光三维成像的流程可为X射线观察设备的研制提供设计依据.仿真流程主要包括三个步骤:使用锥束X光照射被扫描对象并旋转对象,获取多角度下的投影影像;根据投影影像和几何信息重建扫描对象,获取对象空间点数据;将扫描对象三维显示出来.使用线衰减系数不同且相互重叠的多个椭球组成的三维Shepp-Logan模型对算法进行了仿真测试,仿真结果能很好地将模型重建并显示出来.      

单次任务中主动清除多块碎片的仿真分析

针对国内外空间活动产生的碎片,文章采用多脉冲推力作用下的轨道机动仿真方法,在主要考虑总速度增量为2 km/s的约束条件下,计算碎片清除所需要的速度增量、任务时间以及清除个数。仿真结果表明,单次任务可以清除12块分布比较集中的碎片。研究结果可为我国今后空间碎片清扫任务的设计提供参考依据。     

微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮箱气枕压力的影响

自生增压液氢推进剂贮箱在轨滑行阶段将长期（数百秒）处于微重力环境下，其贮箱压力受多种因素影响.液氢低温推进剂接近饱和温度时，因传热等影响而极易产生相变，从而影响贮箱压力.通过建立贮箱三维CFD模型，研究了不同初始液氢推进剂温度对于贮箱压力和温度变化等的影响.计算结果表明，气液界面附近推进剂温度与当前气体压力下饱和温度之差（过冷度）越大，压力下降速率越大.随着气体压力下降，气枕温度降低，压力下降速率也逐渐减小，压力变化曲线趋于平缓.在初始液体推进剂温度低于平衡温度的情况下，初始液体推进剂温度越高，平衡压力越高.