天基轻气炮发射清除低轨碎片方案及关键技术分析

文章分析了现有的空间碎片清除方式,并以800~1200 km低地球轨道高度上1~10 cm量级的空间碎片为清除目标,提出了天基轻气炮清除碎片的新方法。首先分析了轻气炮有效载荷在典型参数下的弹丸加速能力;之后根据将碎片降轨使其坠入大气层烧毁的设想,提出天基轻气炮共面清除碎片的方式,并选择轨道高度800 km的圆轨道作为碎片运行轨道进行可行性分析。计算表明,对半径10 cm、厚度1 cm的铝合金圆板碎片(质量211.95 g),使用初速1 km/s、重10 g的黏性弹丸可按任务方案达到清除效果。此外,计算出该参数弹丸对轨道高度800~1200 km的圆轨道上可清除的最大碎片质量为500~825 g,证明轻气炮弹丸对1~10 cm的碎片具有较强的清除能力。最后,分析了以轻气炮为有效载荷的航天器在完成清除碎片任务时的关键技术。     

偏心撞击对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究偏心撞击对撞击式喷嘴雾化特性的影响,建立了求解自燃推进剂冷态射流撞击雾化过程的数值模拟方案,计算了不同偏心度条件下的射流撞击雾化过程。采用树形自适应加密算法直接求解不可压Navier-Stokes方程组,由分段线性的流体体积(VOF)方法对流体界面进行捕捉。结果表明偏心撞击会导致雾场发生偏转,当无量纲偏心度E为1/8时,雾场偏转角度约为9.2°,应控制加工偏差小于该值。随着偏心度的增大,液膜的偏转角度增大,理论推导得到的液膜偏转角度要小于数值计算得到的液膜偏转角度。正心撞击时燃料与氧化剂流强峰值接近,雾场的流强分布呈单峰分布。当发生偏心撞击时,由于燃料与氧化剂部分射流未参与撞击导致流强峰值出现交错,雾场的流强分布呈双峰分布,混合比的空间分布发生较大改变。正心撞击时撞击点下游液滴的速度分布近似呈轴对称分布,而偏心撞击之后的速度分布则呈中心对称分布。偏心撞击导致的射流动量损失使得雾化性能变差,当无量纲偏心度E为1/8时,一甲基肼(MMH)的Sauter平均直径增大约4.8%,四氧化二氮(NTO)的Sauter平均直径增大约5.8%。      

A general calculation method to specify center-of-buoyancy for the stratospheric airship with multiple gas cells

As the lighter-than-air (LTA) flight vehicle, the stratospheric airship is a desirable platform to provide communication and surveillance services. During the ascent from sea-level to the mission altitude, the volume of the lifting gas may change significantly, which will result in the change of the center-of-buoyancy (CB). A general calculation method is developed to specify CB for the stratospheric airship with a double-ellipsoid hull and an arbitrary number of the gas cells. The cross-section-integral (CSI) method is used as a basic calculation scenario to specify CB. Considering the complexity in determining the boundary between the helium and air in the gas cell, a searching algorithm is put forward and the specification of CB can be conducted by the iterative calculation. As an important application, the stable condition of the pitch angle is analyzed when the change of CB is involved. Under different initial configurations, the stable pitch angle of the stratospheric airship during the ascent is specified and compared, which shows the advantages of the multi-gas-cell configuration. The results of this paper may provide an important reference for the engineering application of the stratospheric airship.     

吸气式电推进系统可行条件分析

吸气式电推进系统作为有可能实现长寿命超低轨飞行的技术而被关注。根据不同轨道环境条件，采用管状结构进气道、以及机械增压的吸气方式，讨论了吸气式电推进系统所需的可行条件。分析表明，在轨高度180~240km，航天器所需总功耗与迎风面之比需要大于2kW/m2，电推力器比冲需大于4×104m/s，方可满足推阻平衡需求。分析得出，实现吸气式系统在地球轨道的运用，关键技术在于增加气体收集效率并且降低收集功耗，同时电推力器的效率还需进一步提升。     

多种工质下螺旋波等离子体源波场结构数值模拟

针对螺旋波等离子体放电机理，开展了多种工质条件下的螺旋波放电等离子体内波场结构数值模拟研究。计算发现:氦气等离子体的Er分量在径向边界处的峰值更为突出，有利于等离子体在径向的输运，波电场径向分量决定了电流密度径向分量在内部的表现。在0.266 Pa和1.064 Pa两种气体压强条件下，通过波场结构验证了气压对于波阻尼影响的结论。波场结构是螺旋波在等离子体内传播以及能量沉积的微观体现，研究螺旋波波场结构是揭示其高电离效率的重要途径。初步探索了功率耦合机制，为实验系统优化及实验方案设定奠定理论基础。     

小型磁偏转质谱计性能实验研究

自主研发了小型磁偏转质谱计，并对其质量范围、分辨本领、灵敏度和最小可检分压力四个主要性能指标进行了实验测试和比对。结果表明，该质谱计的质量范围为（1~143）amu，相对N₂的分辨本领为1400，灵敏度为4.2×10^-5 A/Pa，最小可检分压力为9.5×10^-7 Pa。该测试和比对结果为磁偏转质谱计进一步的优化设计和性能提高奠定了重要基础。     

组合临界流文丘里喷嘴空气流量测量方法高空舱应用分析

为满足发动机高空试验低流速进气条件下空气流量精确测量,减小进气导管气流附面层影响,弱化空气流量测量与被试发动机相关性。分析了单件/组合临界流文丘里喷嘴的工作特性,给出了组合临界流文丘里喷嘴(ACFVN)空气流量计算方法,依据给定试验发动机和高空舱尺寸设计了临界流文丘里喷嘴组合结构,得到了组合临界流文丘里喷嘴在高空舱应用的控制方法和测试布局。采用小尺寸喷嘴对组合喷嘴设计和应用方法进行了验证,结果表明:采用打开/关闭喷嘴数量和调节进气压力两种组合方式在高空舱内应用方法可行,测试布局满足测量要求,下游发动机进口截面气流紊流度优于0.3%,满足发动机高空模拟试验要求。      

叶片冷却的静叶时序对涡轮的性能影响

燃气轮机工作过程中上游叶片的尾迹会周期性地扫掠下游叶片,这使得下游叶栅通道内的流场呈现显著的非定常性。而时序效应作为一种典型的非定常流动现象,已受到国内外学者的广泛关注。本文研究双级气冷涡轮,利用全三维非定常数值仿真的方法分析了第1级与第2级静叶之间的时序位置对涡轮流量和效率的影响。计算结果表明处于不同时序位置下的涡轮第2级静叶叶身冷气流量的差异可达15.6%,涡轮41截面效率和热效率的波动幅值则分别达到了0.33%和0.26%。涡轮冷气流量的变化一定程度上影响了41截面效率,但时序位置对下游叶栅通道流动损失的影响才是造成涡轮效率差异的主要原因。     

面向一体化计算的整体式液体冲压发动机建模及性能评估

为发展冲压发动机性能工程预估方法,建立了面向一体化计算的整体式液体冲压发动机性能计算模型,并使其兼容基团贡献算法,提高了拓展性。利用模型分析了冲压发动机在攻角0°～6°、高度0～18km、马赫数2.0～3.5、余气系数1.0～2.9范围工况多维度连续变化下,比冲、推力系数和燃油质量流量的速度-高度特性、高度-节流特性、节流-速度特性以及攻角特性。研究结果表明:性能计算模型可在一体化计算条件下、基团贡献算法允许范围内,不依赖试验数据对冲压发动机性能预估,计算结果与技术参考值相比相对误差均小于14%。推力系数和比冲具有基本一致的速度-高度特性和相似的高度-节流特性,受燃气组分影响,推力系数和比冲的节流-速度特性差异明显。燃油质量流量的变化规律不同于比冲和推力系数,在进入平流层后呈现折缓趋势,而呈现连续性,速度越大、高度越低、余气系数越小,燃油质量流量越高,反之则越小。引入攻角以后,攻角越大,比冲和推力系数越低,进气道起动马赫数越高;攻角-起动马赫数曲线小范围内近似线性,攻角超过5.6°非线性加剧。