氢氧发动机真空羽流干扰试验研究

为了研究航天器发动机多股羽流产生的羽流干扰对流场结构及参数的影响,在北京航空航天大学真空羽流效应试验系统（PES）中,采用总压皮托管阵列对60 N氢氧模拟发动机单机羽流和双机干扰羽流的压力场进行了测量。试验结果表明:单机羽流流场压力随着轴向距离的增大而迅速降低;受到钟形喷管产生的压缩波束影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离喷管轴线;双机羽流干扰发生于两股发动机羽流主流之间的区域,干扰流的作用范围和强度随着轴向距离的增大而增大,干扰流压力最高可以达到单机羽流相同位置处压力的5倍以上;受到干扰流压缩波束边界的影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离双发动机对称面。      

钟型喷管10N推力器冷流羽流气动力试验研究

基于北航最新落成的中俄航天合作项目-真空羽流效应试验系统,结合空间站羽流效应试验研究的工程任务需求,成功地开展了10N钟型推力器羽流撞击平板的气动力试验研究.介绍了气动力试验平台的研制情况,包括真空舱及泵组系统、工质供应系统、数据采集及控制系统、羽流气动力测量装置等.为了接近工程实际,试验采用了真实推力器的钟型喷管,给出了10N钟型推力器羽流气动力试验的方案和3种不同位置下氮气冷流撞击平板的压强分布,研究工作对姿控推力器的气动力研究具有重要的参考价值和指导意义.     

三维多组分羽流及其效应的数值模拟

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽流场及其效应进行数值模拟,计算得出羽流场的物理参数分布、化学组分分布,得到了羽流对太阳能帆板的羽流气动力和气动热效应.计算结果表明对于太阳能帆板的羽流效应防护应以N2,NH3为主,姿控发动机羽流会对太阳能帆板撞击产生气动力和气动热的影响,在太阳能帆板前沿中点处,存在气动压强峰值和气动热流峰值.计算结果为研究羽流效应提供了参考依据.     

地外天体起飞羽流导流气动力效应仿真

探测器自地外天体采样返回过程中,发动机羽流作用于起飞平台后返流至起飞器表面,产生气动力效应及干扰力矩。针对圆锥形羽流导流结构,利用计算流体力学/直接模拟蒙特卡罗（CFD/DSMC）耦合方法,对起飞器距离起飞平台200~700 mm,偏转角度0°~5°范围内的羽流导流气动力效应进行了仿真计算。计算结果表明,随着上升距离增加和偏转角度增大,起飞器受到的力矩出现了反向增加现象,严重影响起飞稳定。研究发现,上述现象产生的主要原因为偏转角度增加时,起飞器距离起飞平台较远一侧的羽流与起飞平台作用点由圆锥导流结构逐渐偏移至平面位置,导致羽流作用于起飞平台后的流动方向由贴近起飞平台向侧面流动急剧转变为反弹至起飞器底面方向流动,从而使远离起飞平台的一侧所受力矩高于靠近起飞平台一侧,产生反向力矩。      

螺旋波电推进羽流电磁矢量控制的原理性验证

推进器羽流的电磁矢量控制是基于电磁位形的改变使得喷射的羽流改变方向。为了原理性验证电推进羽流电磁矢量控制技术，针对螺旋波电推进器，开展了磁场位形调制仿真设计和试验验证。说明了电磁矢量调制线圈能够改变磁场位型，并且在试验过程中验证了等离子体羽流随磁场位型变化而产生的羽流方向偏转。在周期性磁场调制过程中，验证了等离子体密度参数随之周期性涨落。螺旋波电推进羽流方向最大偏转角度60°，可控偏转频率15Hz，说明了电推进羽流电磁矢量控制的可行性。     

霍尔推力器在轨羽流图像诊断方法

为便于霍尔推力器羽流在轨诊断测量,文章提出了一种基于光谱诊断衍生出来的图像诊断方法。首先对推力器羽流进行光学图像采集,然后提取出能够反映羽流不同谱段光强信息的红绿蓝三通道数据;同时结合相机成像原理分析,得到不同通道的像素点灰度值与羽流光谱强度的对应关系;并且基于光谱碰撞辐射模型,建立了羽流图像计算模型。研究结果表明,利用图像诊断方法计算得到的羽流区电子温度和离子密度分布规律均与探针试验结果相吻合,计算的相对不确定度分别约为20%和15%,说明了该诊断方法精度适中,具有较高的可靠性,适用于在轨诊断霍尔推力器羽流等离子体参数。     

电弧加热发动机羽流电子温度的探针诊断

电弧加热发动机(Arcjet)由于其比冲远高于传统的使用化学推进剂的发动机,近年来引起了愈来愈多的关注。文章建立了一套在真空环境下利用静电探针诊断技术测量Arcjet羽流电子温度的实验装置, 并且对以氩气为工质的 Arcjet 的羽流进行了测量, 得到了羽流电子温度的轴向和径向分布情况, 以及电子温度随电弧电流和工质流量变化的趋势。实验结果表明Arcjet羽流轴线处的电子温度远大于重粒子温度。     

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射影响规律

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射作用是影响翼板工作性能、卫星供能稳定性的重要因素。为深入研究霍尔推力器羽流在不同布置工况下对太阳翼的溅射影响规律,采用单元粒子/直接蒙特卡洛碰撞模型（PIC/DSMC）求解羽流等离子体的输运过程,其中对离子的扩散作用采用基于菲克定律的求解模型,并以Yamamura溅射模型来求解等离子体对太阳翼表面的溅射产额。为验证修正扩散模型后的算法精度,在真空舱内开展羽流诊断试验,以试验与计算结果的对比来修正扩散经验参数以及验证计算精度。试验结果表明,在扩散系数kd=126×10-36N·m4时,该模型计算误差在87%左右。在此基础上,对不同的推力器方位角、推力器与翼板距离工况,开展羽流对太阳翼的溅射产额计算。计算结果给出太阳翼表面溅射分布随方位角、距离增加的依变规律,并进行了相关透光率影响程度的讨论,可对推力器的星上布置提供参考依据。     

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30 cm离子推力器的热辐射影响,采用有限元分析的方法,首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟,在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后,进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响.仿真结果显示,推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述,羽流在真空舱内...     

直射式喷嘴垂直跨流喷射的雾化特性试验研究

应用Ｍａｌｖｅｒｎ激光粒子分析仪在气流速度５０－１５０ｍ／ｓ，供油压力１．０７８６－４．１１８８ＭＰａ，喷嘴孔径０．５－０．９ｍｍ，喷嘴下流距离６０－２５０ｍｍ参范围内试验研究了直射式喷嘴垂直跨流喷射的雾化特性沿径向位置、射流穿透深度与最大浓度线的变化，双喷嘴的雾化特性以及稳定器对雾化特性的影响。     

Numerical simulations of water spray on flame deflector during the four-engine rocket launching

This paper aims to study on the cooling effect with two types of water spray nozzle on the flame deflector during the four-engine launch vehicle take-off. To accurately simulate the two-phase flow of the rocket gas with multispecies and the water spray, the three-dimensional compressible Navier-Stokes equations, discrete ordinates methods and realizable k-Ɛ turbulence model are used to establish the rocket supersonic plumes impact model. The Eulerian dispersed phase (EDP) model was used to simulate the water spray into the exhaust gas. The accuracy and effectiveness of the gas-liquid flow model are verified by a good agreement between simulation results and experimental data. On this basis, a series of numerical simulation studies under different water injection position are performed. The results show that the high temperature regions, along the axis of engines on the deflector plate, have no significant temperature decreasing effect by water spray from the nozzles mounted on the apex of the deflector, and the high temperature converts a large quantity of water into vapor near the plume boundary, which would decrease the flow conductivity. With the cooling spray nozzle fixed directly to the deflector plate, the temperature decrease effect is obvious and the effect of thermal shock on deflector plate induced by exhaust plume is reduced, so that it can prevent the flame deflector from thermal ablation. The study results provide indepth information and engineering guidance for designing the water spray systems and increasing the safety of the launch process.     

边条/鸭翼对前掠翼和后掠翼气动特性的影响

为分析前掠翼气动布局设计在航空工业中无法得到推广运用的原因,将前掠翼和后掠翼通过加装边条和鸭翼形成简化的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局,从而深入认识前掠翼和后掠翼两种不同布局之间的流动特点以及涡系干扰机理。首先进行算例数值计算,通过对比分析计算结果与试验数据,验证了数值计算方法的可靠性和准确性;然后对不同布局进行数值计算,得到各布局的升力系数曲线;最后通过压力分布云图和流线图对各布局中复杂涡系的干扰机理进行分析。结果表明:基于后掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间通过诱导和卷绕作用,涡系相互增强,大幅提高了布局的升力系数并推迟失速迎角,同时加装边条和鸭翼效果更加明显;基于前掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间不存在卷绕作用,涡系之间存在碰撞挤压的不利干扰,这使得前掠翼布局在大迎角时的升力系数远远低于相应的后掠翼布局。前掠翼气动布局中的机翼前缘涡在大迎角时无法同鸭翼涡和边条涡相互耦合增强,不能充分地利用非线性升力,这是前掠翼气动布局设计中的一些不足。      

飞行载荷外部气动力的二次规划等效映射方法

传统的气动力映射方法中，守恒型方法能保证总积分载荷的守恒，但计算复杂；非守恒型方法实现简单，能保证气动压力的分布，但不能保证总积分载荷的守恒。利用等式约束保证积分载荷相等，并基于非守恒型加入线性基的径向基函数（RPIM）构造最小二乘保持原气动压力的分布特征，将气动力等效传递问题转化为一个带等式约束的二次规划问题。通过在非守恒方法的基础上构造出新的守恒型方法，兼顾了2种方法的优点。对某一大展弦比机翼上表面的三维气动力等效映射至二维平板面元气动力的结果表明，所提方法在牺牲了一定气动压力分布精度的基础上，严格保证了总积分载荷的相等，同时也继承了非守恒插值方法的高效性。所提方法可用于各类复杂外部气动力数据的快速等效映射，以及其他学科类似的数据映射问题。      

旋翼/平尾气动干扰对直升机配平特性的影响分析

旋翼/平尾气动干扰建模是直升机全机配平模型和飞行动力学模型的核心内容。常规全机配平模型主要通过旋翼下洗流或诱导速度等方式间接考虑旋翼对平尾的气动干扰作用,但未充分考虑旋翼对平尾非定常气动干扰产生的非线性气动载荷,因而仍难于准确体现旋翼/平尾气动干扰对全机配平特性的影响。为此本文基于非定常面元/黏性涡粒子法,通过在平尾面元中增加由旋翼和平尾尾迹时变干扰产生的非定常压力项,建立旋翼/平尾气动干扰模型,直接计算平尾非线性气动载荷,并耦合基于GA/LM混合优化的直升机全机配平方法,构建旋翼/平尾气动干扰作用下的直升机全机配平特性分析方法。通过计算UH-60A直升机的旋翼操纵量和机体姿态,并与试验测试值对比验证本文方法的准确性。通过与基于诱导速度考虑旋翼/平尾气动干扰的直升机配平结果比较表明,后者难于体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增现象,而本文方法能较好地体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增,且与OH-6A、EH-101等试验测量的特性一致。研究不同平尾构型对旋翼/平尾气动干扰下直升机全机配平特性的影响,分析表明低平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,而高平尾则增加高速纵向操纵量;前置平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,右旋直升机的右置平尾有利于减小低速纵向操纵量突增和机体俯仰角。      

转静干涉对转子叶片颤振特性的影响

在不同气动工况、不同几何模型下,采用自行开发程序对全环多排的高压压气机进行了流固耦合数值模拟,分析了进口导流叶片(IGV,以下简称导叶)对转子叶片颤振稳定性的影响。通过对气动弹性标准算例4的数值模拟验证了程序在颤振领域的有效性。针对导叶-转子模型和单转子模型,考察了近堵塞点、近设计点和近失速点3个工况下,节径变化对叶片颤振稳定性的影响,给出了气动弹性最不稳定状态对应的叶片振动形式。通过对比发现,导叶作用随工况而异,近堵塞点导叶使得转子1阶弯曲模态气动阻尼提高130.63%。研究表明:导叶引起的非定常压力波反射增强了转子叶片的非定常压力扰动幅值,使得弯曲振型的颤振稳定性增强。基于单转子模型的颤振分析给出了不准确的气动阻尼值。      

鸭翼/边条对融合体型机身大攻角气动特性影响

通过对融合体型机身进行表面测压和PIV(Particle Image Velocimetry)流动显示实验,研究了大攻角下鸭翼/边条对机身气动特性的影响规律.结果表明:加装鸭翼后攻角小于50°时机头区流动变化不大,超过50°攻角后,机头区法向力显著下降,并且随着攻角增加受影响区域向头部方向扩大;加装鸭翼致使鸭翼区截面法向力大幅增加.加装边条改善了边条区流动,边条涡对机头涡产生有利诱导,增大了边条区法向力.加装边条/鸭翼时,对机头区及鸭翼区流场的影响由鸭翼起主控作用,对边条区流场的影响由边条起主控作用.     

不同后掠角三角翼的静态地面效应数值模拟

采用数值模拟的方法研究了不同后掠角三角翼的静态地面效应,通过对气动力和流场特性的分析发现,随着后掠角的减小,地面对迎风面下流动的阻滞作用增强,地效导致的迎风面气动力增量也随之增大。地效导致的背风面气动力增量同样随着后掠角的减小而增大,但在不同的后掠角范围内,地效诱导背风面气动力增量的机理不同:中大后掠角下,其主要通过增强前缘涡强度诱导更大的吸力,而小后掠角下,其主要通过促进前缘涡向内扩散增大吸力范围。      

空间再入充气系统的大攻角气动及结构仿真研究

为描述空间再入充气系统在大攻角状态下的气动力与结构特性,利用CFD模型研究了不同攻角下的流场分布及气动力系数变化。同时建立了考虑内充压作用的有限元模型,并以高超声速流场作为输入,采用流固单向耦合的方法分析了不同攻角下的气动力对结构静力学特性的影响。研究表明：随攻角的增大,轴向力系数呈整体下降趋势,而法向力系数及俯仰力矩系数分别呈M型及W型变化趋势;此外,随着攻角的增加,结构最大应力整体呈上升趋势,并在45°攻角附近增幅最大。