真空模拟环境下液体推进剂蒸发特性的试验研究

为研究液体推进剂在真空环境下的蒸发特性,建立了真空环境模拟试验系统。对水、饱和盐水、煤油、酒精和凝胶模拟液等工质进行了蒸发特性试验。通过控制系统实时采集了真空舱的真空度和工质温度。试验中观察到了明显的闪蒸现象。由于闪蒸的存在,工质蒸发过程非常剧烈。最后分析了不同工质在真空环境下的蒸发特性,给出了部分工质的闪蒸参数。     

真空环境下液体射流雾化特性的实验研究

为研究真空环境下液体的雾化特性及其影响因素,建立了真空环境喷雾实验系统。用水模拟液体推进剂,真空环境舱的初始真空度小于10Pa,采用高速动态分析系统测量了喷雾场。结果表明,真空环境下液体射流的闪蒸是其破碎与雾化的主要因素之一;喷射速度较低时喷口发生结冰现象;随着喷射雷诺数的增大,破碎长度变长而雾化锥角减小;喷射速度相同时,喷嘴直径增大,破碎长度和雾化锥角随之增大。     

低温流体闪蒸喷雾研究

为了研究低温流体闪蒸喷雾特性,建立了低温流体闪蒸计算模型,并通过试验进行了验证。在欧拉-拉格朗日框架下采用CFD-DPM方法模拟了闪蒸过程的气-液两相流场。研究表明,在闪蒸喷雾形态和温度分布特性方面,数值模拟与试验结果吻合。低温流体喷入低压环境后,在喷嘴出口附近便发生剧烈的闪蒸现象,呈现出巨大的喷雾角,并且喷雾温度急剧下降至环境压力对应的饱和温度;在喷嘴出口附近区域(x/d～40),过热闪蒸占据绝对主导地位,其蒸发速率高出其他换热2个数量级,随着喷雾液滴运动至流场下游,对流换热与热传导逐渐占据主导地位。闪蒸带来的强烈换热导致喷嘴附近可能会发生复杂的气-液-固相变,将会对发动机高空可靠点火带来风险。     

基于主动射流控制的二元混压式进气道起动特性研究

以N-S时均化方程为控制方程,采用SSTk-ω湍流模型对主动射流控制下的典型二元混压式超声速进气道二维定常流场进行了数值模拟和分析,验证了利用主动射流控制改善进气道起动特性的可行性,研究了不同射流流量、速度、总温对进气道起动特性的影响。结果表明,发现射流冲量大小是利用主动射流实现进气道迟滞回路内再起动的关键因素,当射流冲量大于某一阈值后,进气道即能实现再起动。研究还发现,采用主动射流控制技术后,进气道基本能消除迟滞回路现象。     

空间环境探测卫星用磁强计误差分析及在线标定

用于探测日地空间磁环境的磁强计多数安装在伸杆的末端,长期受太阳辐射等空间环境干扰力矩以及机动等影响,磁强计安装矩阵随时间发生较大的变化,从而导致卫星定姿精度下降。为此,在分析空间环境干扰力矩和磁强计定姿误差特性的基础上,建立了19维高精度的磁强计误差模型,结合卫星的运动学和姿态动力学特性,采用EKF滤波方法对安装矩阵进行实时估计与修正补偿,并利用该磁强计模型实现卫星的姿态确定,最后利用实验进行验证。实验结果表明,该方法能够在满足星载计算机的计算量要求的同时,在线估计安装矩阵误差,显著提高了磁强计的误差估计精度与定姿精度。     

离子液体电喷推力器工作机理研究进展

离子液体电喷推力器易于小型化,具有比冲高、推力精度高的特点,适用于微小卫星、太空引力波探测等领域,具有较大发展潜力。对电喷工作机理的认识与研究,不仅能够促进离子液体电喷推力器在工程中的应用,同时也为未来的进一步发展奠定基础。基于此,本文首先回顾了电喷推力器的发展历程及现状;其次以离子液体电喷推力器3个基础工作过程为出发点,对其锥射流形成及发射机理、束流模式及引出特性、羽流自中和机制进行了基础理论介绍与研究现状的总结;最后对离子液体电喷推力器未来的工作机理研究方向和工程应用发展方向提出展望。     

火星环绕器推进系统建模与可视化研究

针对液体推进系统的联合仿真演示需求,基于模块化建模思想,根据守恒方程和状态方程,应用AMESim开发了通用液体火箭发动机组件模块库并建立了推进系统仿真模型,利用Simulink和LabVIEW开发了仿真控制模块和视景仿真模型,搭建了全系统联合仿真环境与平台.结合某型火星环绕器推进系统的任务要求以及具体构成,实现了该火星...     

HFC134a喷雾闪蒸冷却换热特性的实验研究

喷雾闪蒸冷却由于可以在较小的工质流量下实现很高的散热能力,在高热流密度散热、航天器热控和热防护等领域具有广阔的应用前景。本文建立了喷雾闪蒸冷却实验系统,对环境压力下以HFC134a为工质的喷雾闪蒸冷却换热特性进行了实验研究,得出了喷雾闪蒸冷却的换热特性曲线、临界热流密度(critical heat flux,CHF)以及被冷却表面温度随喷雾高度和流量的变化曲线,分析了适用于热控的最佳喷雾高度和流量。     

阴影环境下陆地移动卫星信道模型及仿真研究

在对陆地移动卫星信道传播特性分析的基础上,建立阴影环境下移动卫星信道的混合模型,并采用随机数产生器实现了该信道模型的统计特性仿真。通过与实测数据的统计特性进行比较,验证了该信道模型和仿真实现方法的正确性。由于移动卫星信道是一个复杂的时变随机信道,所以,通过随机数产生器产生的统计特性具有很好的普适性。     

充液航天器液体晃动等效力学模型的建立

在考虑液体表面张力影响液体晃动求解的基础上,利用动力学方程等价准则,建立了三轴定向充液卫星在二维平动和二维摆动扰动作用下的空间摆等效力学模型,并对两种情况下等效摆的主要参数进行了计算和比较。结果表明,考虑表面张力时,液体的晃动特性对航天器姿态控制系统稳定性有不利影响。     

卫星推进剂剩余量测量技术地面试验研究

根据气体注入压力激励测量方法，研制了动态、高精度测量卫星液体推进剂剩余量原理样机，该样机以通信卫星双组元推进系统为测量对象。详细给出了利用该样机进行的地面试验情况，特别是测量数据平滑处理技术和液体蒸汽压误差修正技术。试验结果表明，当推进系统工作状态正常时，剩余液体体积量的测量误差小于贮箱总体积的１．０％，而当推进系统有小泄漏时，则小于２．０％。     

热力学效应对低温诱导轮旋转汽蚀影响的数值研究

诱导轮是液体火箭发动机中提高涡轮泵性能的关键部件,而旋转汽蚀是引起诱导轮故障的原因之一。低温液体发生汽蚀时会产生大量的潜热,对汽蚀流动产生重要的影响。利用基于Rayleigh—Plesset方程的混合流体模型,并考虑了汽蚀热力学效应,对诱导轮二维叶栅中的低温旋转汽蚀现象进行了数值分析。计算结果表明,考虑热力学效应时,产生旋转汽蚀的入口压力值下降;低温条件下的温度变化对超同步旋转汽蚀没有影响,而对次同步旋转汽蚀影响显著。     

Evaporation and ignition of droplets in combustion chambers modeling and simulation

Computer simulation of liquid fuel jet injection into heated atmosphere of combustion chamber, mixture formation, ignition and combustion need adequate modeling of evaporation, which is extremely important for the curved surfaces in the presence of strong heat and mass diffusion fluxes. Combustion of most widely spread hydrocarbon fuels takes place in a gas-phase regime. Thus, evaporation of fuel from the surface of droplets turns to be one of the limiting factors of the process as well. The problems of fuel droplets atomization, evaporation being the key factors for heterogeneous reacting mixtures, the non-equilibrium effects in droplets atomization and phase transitions will be taken into account in describing thermal and mechanical interaction of droplets with streaming flows. In the present paper processes of non-equilibrium evaporation of small droplets will be discussed. As it was shown before, accounting for non-equilibrium effects in evaporation for many types of widely used liquids is crucial for droplet diameters less than 100 μm, while the surface tension effects essentially manifest only for droplets below 0.1 μm. Investigating the behavior of individual droplets in a heated air flow allowed to distinguish two scenarios for droplet heating and evaporation. Small droplets undergo successively heating, then cooling due to heat losses for evaporation, and then rapid heating till the end of their lifetime. Larger droplets could directly be heated up to a critical temperature and then evaporate rapidly. Droplet atomization interferes the heating, evaporation and combustion scenario. The scenario of fuel spray injection and self-ignition in a heated air inside combustion chamber has three characteristic stages. At first stage of jet injection droplets evaporate very rapidly thus cooling the gas at injection point, the liquid jet is very short and changes for a vapor jet. At second stage liquid jet is becoming longer, because evaporation rate decreases due to decrease of temperature. But combustion of fuel vapor begins which brings to increase of heat flux to droplets and accelerates evaporation. The length of the liquid jet decreases again and remains constant slightly oscillating.     

Overview and status of a mirror fusion propulsion system design study

The main goal of this paper is to describe and emphasize the important discoveries made since 1986 in the engineering design of space fusion propulsion plants.

Among the important discoveries are four fundamental design principles (DPs) which should be used when adapting candidate Earth-based fusion-electric power plants to propulsion in space.

1. DP1. Maximize direct access to space for waste radiation.

2. DP2. Operate components as passive radiators whenever possible.

3. DP3. Optimize the plasma characteristics for best specific jet power

4. DP4. Optimize mission capability versus lifetime-mass-to-orbit (LMTO).

Another discovery is a design philosophy called IDEAs (Integrated Design Environment Algorithms) which is a tool for discovering new fundamental design principles.

These discoveries allowed us to adapt, and then to optimize, an earth-based fusion-electric magnetic-mirror-fusion reactor concept for propulsion in space. The resulting design is called the Mirror Fusion Propulsion System (MFPS); and its design status is reviewed.

This work can be used as a general road map for others attempting to convert earth-based designs to propulsion in space. It also has applicability to matter-antimatter propulsion systems engineering.     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

国内外先进推进技术发展综述

航天运输领域发展的核心目标包括提高运载能力、降低发射成本及减少发射准备时间等。相对于传统的化学推进技术,先进推进技术采用新能源或新机理,旨在从根本上满足未来对有效载荷、发射成本和发射周期的要求。对国内外组合动力装置、核聚变动力推进、离子推进、激光推进、核子脉冲推进、太阳帆推进、磁场帆推进、布萨德喷气推进、反物质推进等先进推进技术的研究进展进行综述和可行性分析,并给出了发展启示。     

深空探测器推进系统

以技术较成效的月球探测器、火星探测器推进系统为重点，介绍了国外深空探测活动的情况。简述了深空探测对推进系统的需求、我国航天器液体推进技术的现状。认为我国的推进技术经一些适应性发展，即可满足深空探测的需求，并且设想了我国近期较为可行的深空探测器推进系统方案。     

国外航天器推进剂在轨吹除技术跟踪研究

受大气阻力的影响,空间站长期在轨的轨道维持需要消耗大量的推进剂,因此有必要进行推进剂补给。而补给结束后的管路内残留推进剂在轨吹除,是保障空间站任务安全的必要条件。文章对国外航天器液体真空排放的研究现状进行了跟踪,重点就液体温度、压力、饱和蒸气压、液体中气体含量以及喷口尺寸外形等因素对液体排放特性的影响进行了分析和评价。在国外跟踪调研的基础上,对我国开展空间站推进剂在轨吹除的研究提出了启示。     

某发动机喷管周围流场研究

运用Fluent流体动力学软件,采用结构化网格和RNG k-ε湍流模型研究了热试车条件下,某带高温隔热屏发动机喷管周围及隔热屏上温度场的分布,计算结果与试验结果吻合较好.研究结果表明：推进系统热试车条件下,高温隔热屏各组成部分温度均在各自耐受温度以内;高温隔热屏能有效地将发动机羽流的对流及辐射进行隔离,避免高温燃气对发动机周围的推进系统组件进行再加热.     

Maximum terminal velocity of relativistic rocket

The maximum terminal velocity problem of the classical propulsion is extended to a relativistic rocket assumed broken down into active mass, inert mass and gross payload. A fraction of the active mass is converted into energy shared between inert mass and active mass residual. Significant effects are considered. State and co-state equations are carried out to find the exhaust speed optimal profile.A first major result consists of a critical value of inert mass. Beyond it both true and effective jet speeds increase with time. Below it the true jet speed profile is reversed. At criticality, the best control consists of both velocities constant in time.A second meaningful result is represented by an interval of inert mass outside which no optimal control exists. Numerical results are discussed with particular emphasis to current concepts of antimatter propulsion.