固体运载火箭变轨发动机喷管气流分离研究

固体运载火箭变轨发动机喷管在工作过程中可能产生气流分离问题,为研究气流分离对喷管性能的影响,开展了理论计算与数值模拟分析。通过分析获得了气流分离点位置、推力系数、喷管壁面的压强、对流换热系数、温度分布。结果表明:地面推力系数是真空推力系数的73.3%,喷管气流分离影响了发动机能量转换;气流分离后喷管壁面压强、对流换热系数、温度存在跃变现象,从而会对喷管扩张段产生不利影响。该分析为进一步研究固体火箭发动机高空喷管通过地面试验性能预示高空性能及喷管扩张段热防护设计提供参考。     

高超声速飞行器尾喷管的优化设计

以喷管上壁折转角、下壁长度、舵面长度及其折转角为设计变量,结合遗传算法和特征线法对高超声速飞行器尾喷管进行了优化设计,并对设计变量进行了参数研究.结果表明,所采用的优化设计方法计算效率高且比较准确,特别适合于高超声速飞行器尾喷管的优化设计;所采用的4个设计参数均能有效地影响尾喷管的气动性能,其中喷管上壁折转角和舵面折转角分别对喷管的升力和推力的影响相对明显,对其进行均衡选择方能得到最优的结果.      

利用作图法求各型燃气涡轮发动机特性的方法

计算发动机特性线的关键在于找出发动机各部件的共同工作线。本文是根据所提出的座标系的思想,去解决求定各种发动机的共同工作线的问题。 本文首先叙述了共同工作的基本概念。即压气机和涡轮共同工作必需遵循四个条件,但这四个条件还不足以定出共同工作线,还允许我们再规定两个条件来定出共同工作线,对于这两个条件的选择,就是选择调节规律。 利用作图法求定共同工作线的基本原理在于: 1)叶片机特性不仅可用M_(1a)和M_(1u)作相似准则来表示它,而且可以用一切只是在相似情况下保持为常数的组合量中的任意两个独立量,来描绘特性。 2)根据相似原理把压气机和涡轮的特性线转换成共同的座标系,这种座标系反映两者的共同工作条件及调节规律,然后把座标系重迭起来,则可得出。 本文中间讨论了(包括可调尾喷管及不可调尾喷管在亚临界及超临界)及双转子的各种共同工作线的作法,以及和进口配合起来的作法。 最后,希望从各型发动机求定共同工作线的方法中,归纳出确定共同工作线的一般原则。     

高超声速飞行器后体/尾喷管优化设计

结合试验设计方法、替代模型技术和遗传算法构建一套改进的优化方法,并将其应用于高超声速飞行器后体/尾喷管的一体化设计.在构建优化方法时,针对替代模型采用渐近全局策略提高精度;针对遗传算法,采用实数编码、多目标定级排序和改进小生境技术.在后体/尾喷管的一体化设计应用中,结合高精度的计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)求解,以两个设计点的推力和升力为目标,以力矩为约束,得到优化问题的Pareto最优前沿面,优化结果在综合性能方面有很大提升.该优化方法可进一步推广应用于更复杂的优化设计当中.      

小突片对收敛喷管推力特性的影响研究

针对收敛喷管,在近临界状态及超临界状态下,实验研究了加装小突片后对飞机发动机尾喷管推力特性的影响,并探讨了小突片堵塞比、小突片后倾角度,以及片数等因素的作用.结果表明,小突片对收敛喷管的推力特性有明显的影响,并且小突片所造成的推力损失基本上随小突片的堵塞比增加而增加.在实验范围内,小突片堵塞比每增加1%,所造成的推力损失在0.63%~1.35%之间,对超临界状态,可认为大约增加0.8%.      

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

进气旋流对推力喷管性影响的研究

介绍了模拟近代大涵道比发动机排气状况的旋流模型,和在喷管落压比1.2到6.5范围内,进气旋流对轴对称喷管,矩形收-扩喷管,楔形二元喷管,和单边膨胀斜板形喷管等性能和射流流态影响等的一些实验结果。实验数据指出:进气旋流可使喷管出口射流柱中的旋涡加强,射流与外界气流间的混合区扩大,中心核心流区缩小,但它对轴对称喷管出口流态的影响很小。进气旋流同时对喷管推力系数和流量系数均起不利影响,增大进气旋流角度会使喷管推力系数和流量都下降,特别是当旋流角超过某一“临界”值后二者降低很急剧,并且二元喷管降低的程度比轴对称喷管更严重,因之在具体应用情况中,保留多大发动机的旋流,要针对具体情况综合考虑各种因素来选定。     

具有可调节喷口的涡轮喷气发动机工作特性线的计算和绘制方法

在发动机所用的压气机的通用特性线图上,绘出T?/T?=定值的网线,以及辅助线L_k/T?=定值的网线。假定涡轮和尾喷管均在临界或超临界的情况下工作,根据发动机平衡工作条件,求得L_k/T?与涡轮喷管环喉部断面积F_(?)和尾喷管出口断面积F_5之比的关系式。如果涡轮喷管环喉部断面积F_(?)不可调节,则可以根据喷口面积F_5调节的大小定出比值F_(?)/F_5,由所求得的关系式可以求出对应的此。因L_k/T?等於L_k/T?除以T?/T?,所以假定L_k/T?为某一定值,则可求得对应的T?/T?比值。L_k/T?=定值的线和T_3/T?=定值的线求出交点,即得出发动机在平衡工作状态的工作点。由於喷口面积F_5改变,则L_k/T?亦改变,重复上述算法,可求得数个平衡工作点。联结各平衡工作点,则得出发动机的工作特性线。     

新型二维推力矢量喷管数值模拟

针对现有流体推力矢量控制方案的不足,提出利用喷流附壁效应的新型矢量喷管,借助于尾喷管射流对固壁延伸面的跟随作用控制尾喷流方向,实现推力转向.在此基础上采用限制流量的方法调节喷流的抽吸程度,产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的.运用这一概念设计了二维矢量喷管,用数值实验方式验证了喷管的推力转向效果,采用限制流量方法得到的最大矢量角度约13.3°,进一步结合射流控制可以使矢量偏角达到20°以上.通过对该喷管流场的数值计算研究,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析,为下一步开展实验研究奠定了基础.     

空间在轨流体输运稳定性落塔实验

空间流体管理是微重力流体科学的重要研究方向之一,而有外力驱动的开口流道毛细流动界面稳定性研究是其重要的内容.设计研制了一种微重力双流道流体输运实验装置,采用的两个流道分别为截面相同的对称内角和非对称内角,并有相同的开口长度,在百米微重力落塔进行了10次双舱实验.通过分析不同流量下的液面特性,判定流动的类别,将流动形态分为亚临界、临界和超临界三种,确定了两个流道的临界流量,并对两个流道毛细流动的特征进行了比较.      

内冷却紧凑式固体除湿器实验研究

在叉流板翅式换热器结构基础上,研发制作了一种粘贴型内冷却紧凑式固体除湿器,并对这种新型除湿器的性能进行实验研究.除湿器使用硅胶作为吸湿剂,通过导热胶将硅胶颗粒粘贴在除湿器主边的气流通道壁面上.实验分为4组,分别在高湿度和低湿度环境工况下,测试本文研制的除湿器在有内冷却和无内冷却条件下的除湿运行效果以检验内冷却气流对除湿器性能的影响.实验表明,内冷却紧凑式固体除湿器工作性能优良,在除湿器有内冷却的条件下,工作周期内除湿器的平均除湿量显著提高.在高湿度条件下,硅胶在20min内的动态吸湿率可达12.4%,高于目前已知的常压下硅胶对水蒸汽的动态吸湿率.      

基于Euler方程的三维机翼厚度与扭角优化设计

使用Euler方程作为流场解算器,结合Powell算法,讨论了在确定的机翼平面形状和翼型的条件下,以最大升阻比为目标的三维机翼截面翼型最大厚度与扭角的优化设计.设计中以机翼沿展向0.1,0.2,0.3,0.8,1.0倍半展长的翼剖面的厚度作为优化控制量,再选取翼梢剖面的扭角增量为第6个控制量,对机翼作了数值优化设计计算,得到了在亚音速时具有相对较大升阻比的机翼其厚度及扭角的优化分布.针对Lockheed-AFOSR Wing B的亚临界和超临界算例结果表明,厚度的非线性分布和负的扭角会改善机翼流场的流动状态,使机翼的升阻比得到提高,优化设计方法是可行的.      

飞翼布局无人机进排气影响及机理分析

进气道尾喷管的存在不仅影响着飞机机身前后的流场特性与压力分布,而且影响着飞机升力特性、阻力特性以及力矩特性.为了研究进排气效应对飞机气动特性的影响,采用计算流体力学(CFD)数值模拟技术,建立飞翼布局无人机(UAV)堵锥整流模型和动力影响模型,其中动力影响模型是根据发动机不同的工作状态,在进气道以及尾喷管截面上设置不同的边界条件,对比分析这两种计算模型在流场特征和气动特性上的差异性,揭示内在的影响机理.进排气效应的研究有助于飞机/发动机的一体化气动综合设计.      

高速柔性转子系统非线性振动响应特征分析

针对高速柔性转子多支点支承的结构特点及转子动力特性设计的需要,分析松动支承对转子动力特性的影响,仿真研究得到多支点支承高速柔性转子系统的非线性振动响应特征。研究结果表明:工作在多阶临界转速以上的转子系统,存在松动支承时,工作中的柔性转子可能存在周期、拟周期、混沌运动。进而研究了松动支承位置、不平衡量、松动间隙等参数对多支点支承柔性转子振动响应的影响,分析结果为多支点支承高速柔性转子系统的动力学设计提供了理论方法。      

考虑支承刚性时转子的临界转速

提出用折合效应系数法计算考虑支点刚性及陀螺力矩影响时转子临界转速的方法,用以计算两支点刚性不同而周向刚性相同转子的临界转速。分析了支点刚性系数对临界转速性质的影响,得出一些结论,可供设计参考。拟制两支点刚性不同,周向刚性不均匀转子的临界转速计算方法及两支点刚性不同,周向刚性不均,且y(z)方向负荷会造成z(y)向变形情况下转子的临界转速计算方法。所有计算方法中考虑了陀螺力矩的影响,这就比目前已有的计算方法更接近实际。由性质分析所导出的一些概念,对实际设计机器时,如何考虑支点刚性对临界转速影响有参考作用。 学生陈宝歧、于香泉,在完成这项科研项目中付出许多劳动,在此表示衷心感谢。     

俄罗斯科学家设计新型宇宙火箭

据3月30日出版的美国《航空周刊》报道,俄罗斯科学家3年前开始设计的一种使用液氧、氢和煤油作燃料的宇宙火箭,现已完成了该项目80％的设计蓝图绘制工作。按照原苏联科学家,即现在俄罗斯科学家的设想,这种新型火箭将拥有两台涡轮泵、两个主燃烧室和安装在双轴万向节系统上的两个发动机尾喷管。它的推力可达408吨,有效载荷的运载能力可比单纯使用液氧和氢的现有同等规模火箭大一倍。火箭上的一台涡轮泵将把液氧和煤油泵入一个预热室内,以产生加     

基于不变流形的地-月L2点转移轨道优化设计

在地–月L2点月球中继卫星轨道转移设计中,采用高比冲、小推力的电推进器可以大大增加卫星的有效载荷比,但会增加轨道设计的难度。基于地球GEO轨道为初始轨道,地–月L2点的halo轨道为目标轨道,通过最优控制中的混合法及平动点轨道的不变流形,研究了作为拓展任务的利用地月系统不变流形的小推力变轨方案,可以有效简化转移的轨道设计。仿真结果表明:得到了任意推力情况下最节省推进剂燃料的推力方向控制方案,对月球中继卫星的轨道设计及其平动点轨道设计具有工程意义。     

基于风致振动机理的压电发电机实验及仿真研究

随着低功耗微机电系统的发展,越来越多的微型发电机涌现,其中压电发电机为典型的代表。针对一种基于风致振动机理的柔性压电发电机进行了实验及仿真研究：建立柔性悬臂梁流固耦合仿真模型,分析柔性梁在流场中的力学环境及颤振机理;探究压电悬臂梁在亚颤振临界风速及超颤振临界风速条件下电压输出特性及其给电容充电的性能。结果表明,当风速低于颤振临界速度时,单个压电悬臂梁输出电能较小,接近于零。当风速高于颤振临界速度时,输出电压为类正弦曲线,峰值可达20V。在超颤振临界速度条件下,单个压电悬臂梁为10μF电容充电10s可达22V。微型压电发电机为低功耗微机电系统设备供电成为可能。     

深空探测器在轨推力器参数辨识方法

针对中国首次自主火星探测任务需要,结合环绕器质量特性和推进系统布局构型,分析了喷气卸载对整器角动量的影响。在分析的基础上,通过飞轮卸载前后三轴转速变化规律,计算整器角动量变化情况,并解算出每次喷气时产生的冲量及推力方向偏差;通过同组推力器作用时对各轴的扰动,解算整器质心坐标。利用在轨数据分析了天问一号探测器巡航段6次使用不同推力器的喷气卸载情况,解算的推力器方向偏差、质心坐标和地面设计值进行比对,实测推力方向偏差不超过0.6°,质心绝对偏差小于18mm,验证了计算方法的有效性和正确性,可作为后续轨控任务的点火方向制定、燃料预算的输入依据。