空间多层打孔隔热材料热分析及性能研究

分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射的复合传热问题,建立了反射屏的能量方程.结合有限差分法,提出了空间多层打孔隔热材料反射屏温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型.分析了层密度、打孔率、反射屏表面黑度和反射屏厚度等主要的多层打孔隔热材料参数对材料隔热性能的影响.该材料性能的研究对提高空间多层打孔隔热材料的隔热效果,实现材料的优化设计具有积极的指导意义.     

空间多层打孔隔热材料热分析及性能研究

分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射的复合传热问题，建立了反射屏的能量方程。结合有限差分法，提出了空间多层打孔隔热材料反射屏温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型。分析了层密度、打孔率、反射屏表面黑度和反射屏厚度等主要的多层打孔隔热材料参数对材料隔热性能的影响。该材料性能的研究对提高空间多层打孔隔热材料的隔热效果，实现材料的优化设计具有积极的指导意义。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

三元乙丙橡胶防热材料传热试验方法与温度数值计算

三元乙丙橡胶(EPDM)由于具有导热系数低的特点,在测量其背面温度时会产生比较大的测量误差.为减少测量误差,在热电偶测温端与被测表面之间增加具有高热导率的金属片作为集热片,对加与不加集热片、集热片选取不同材料(铜片和铝片),以及同厚度不同直径与同直径不同厚度分别进行了试验研究和瞬态传热数值计算,分析了集热片材料与尺寸对温度测量准确性及动态响应的影响.计算结果与试验结果吻合较好,表明铝片比铜片响应稍快,但强度没有铜片高,从而选用铜片;直径大与厚度小的铜片比直径小与厚度大的铜片响应快.     

反压对收口型离心喷嘴液膜厚度的影响

离心喷嘴液膜厚度是影响喷嘴喷注雾化效果的主要参数之一。对不同背压环境下收口型离心喷嘴内液膜厚度的影响进行了研究。通过搭建反压喷注系统,利用电导法对收口型离心喷嘴液膜厚度进行测量,采用陶瓷针规对获得的电压值标定从而得到液膜厚度值,所得液膜厚度不确定度为0.017 mm。通过高压舱为喷嘴提供喷注环境,测量不同喷注压降和反压下的液膜厚度,从而得出结论:随着喷注压降的升高,离心喷嘴液膜厚度呈变薄趋势;反压的增加会导致气体密度的增加,使离心喷嘴内空气涡与液膜界面摩擦作用加剧,导致了液体速度下降,在相同质量流率的情况下,促使液膜厚度变大。将实验所得常压环境下的液膜厚度值与经验公式估算值比较,验证了测量结果的准确性;通过在现有液膜厚度理论公式的基础上引入反压项,提出一个全新的液膜厚度经验公式。     

基于正交试验设计的姿控发动机起动特性

基于AMESim模块化仿真软件,建立了姿控发动机仿真模型,采用正交试验设计方法,分析了推进剂黏度、集液腔容积、燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间等因素对姿控发动机起动响应特性的影响。结果表明:起动响应特性指标主要影响因素为燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间,且对阀门间隔时间敏感性最高。室压超调量对推进剂黏性敏感性最低,响应时间对喷注压降敏感性最低。燃烧时滞越大,喷注压降越小,阀门间隔时间越大,发动机响应性能越差。优化喷嘴雾化性能以缩短燃烧时滞,适当提高喷注压降都有助于缩短姿控发动机响应时间。阀门作动时间则尽量保持一致,以缩短起动响应时间。     

基于流固耦合理论的关机水击特性

为了考虑结构变形对关机水击特性的影响,应用Workbench15.0构建双向流固耦合分析系统,模拟关机水击过程,通过压力和流线的分布图分析压力波传播和能量耗散。根据轨控发动机大流量、高室压、快响应的发展趋势,设计了8个工况来分析流量、压力、阀门关闭时间对水击特性的影响。仿真结果表明:在水击发生后,水击的能量只有小部分通过从入口流出和结构变形而耗散,大部分水击能量的耗散是由于流体的粘性损失。流量只对水击峰值压力有影响,且流量越大,水击峰值压力越大。阀门关闭时间的缩短增加了峰值压力和水击频率,减缓了衰减速率。管路背压对水击特性几乎没有影响。因此,在进行轨控发动机高室压水击试验时,在保证流量和关阀时间相同的情况下,减小出口背压,可以得出与高背压一致的水击压力变化曲线。     

电子辐照下聚酰亚胺薄膜的深层充电现象研究

空间辐射环境下聚合物绝缘材料的深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一。文章利用能量为5～100keV的单能电子枪,研究了不同束流强度电子辐照下聚酰亚胺薄膜样品的深层充电过程。实验表明,在102pA量级的电子束辐照下,聚酰亚胺薄膜样品的表面电位迅速上升后缓慢变化,最终可以达到几kV。在一定条件下,样品表面电位随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而增大;充电达到平衡所需的时间随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而减少。辐照截止后聚酰亚胺薄膜样品内部电荷的泄放需经历较长时间,由衰减时间常数推测出的样品电阻率要比采用传统测量方法得到的结果高一个量级。     

Al包覆层厚度对Al-NiTi复合垫片密封面压紧力影响的有限元分析

用ABAQUS分析了法兰连接中不同Al包覆层厚度下Al-NiTi复合垫片密封面压紧力的分布,并与同等加载条件下的NiTi垫片、金属石墨缠绕垫片进行了对比。结果表明,相比NiTi垫片,Al包覆层降低了密封面的压紧力,随包覆层厚度增加,降低幅度增加;包覆Al层后,垫片密封面压紧力沿径向分布呈现波纹起伏,随包覆层厚度增加,波动幅度增加;Al-NiTi复合垫片内外侧附近出现密封压紧力急剧上升的突变,且随垫片厚度减少,突变值增加,这有利于提高密封效果;Al包覆层厚度为0.2 mm时,密封面压紧力数值较为理想,甚至超过NiTi垫片和金属石墨缠绕垫片。     

大长径比固体火箭发动机工作过程中压力响应的数值研究

为了研究大长径比固体火箭发动机工作过程中压力响应规律,以两个型面下的准稳态计算作铺垫,采用自主开发的算法对大长径比两端包覆装药发动机在燃面推移过程中的瞬态内流场展开了数值模拟,并将瞬态计算结果与准稳态结果进行了对比。结果表明,注入流体温度会对压力响应频率产生较大影响;瞬态计算不会改变监测点压力频谱分析曲线的变化趋势,但是会令压力峰值及其对应的响应频率产生数值上的差异,并且响应频率的改变是非线性的;在发动机整个工作过程模拟中,其压力响应幅值较单个型面下准稳态计算结果要低很多。     

航天铝合金深腔零件整体成形预制坯优化设计

提出航天铝合金深腔零件整体成形方法,开展预制坯优化设计。对比分析直筒和变径筒两种预制筒坯结构变形规律,数值模拟研究了底部圆角对开口球形件液压成形的影响规律。以直径D=450 mm的球形整体零件为验证对象,进行底部圆角r=60 mm的变径筒形件的液压成形试验验证。结果表明:直筒坯液压成形时,赤道位置发生破裂;变径筒坯液压成形时,当胀形压力为16 MPa即发生贴模;液压成形时,筒端口自适应补料,所以上半球的壁厚分布均匀;随着底部圆角越大,筒底部减薄越小,筒壁厚越均匀;当底部圆角为r=60 mm时,开口球壳赤道位置壁厚减薄最严重,减薄率为11.1%,球底部减薄率为9.8%,开口球壳上半球壁厚差为0.17 mm,下半球壁厚差为0.43 mm。     

氢氧发动机模型真空羽流场试验和仿真研究

研制了一个用于模拟中国长征火箭二级的60 N推力氢氧发动机的缩比模型,并在北京航空航天大学真空羽流效应实验系统进行了试验。使用皮托管阵列测量了羽流压力场,结果显示当距发动机喷管出口的距离从140 mm增加到600 mm时,羽流场的最大压力从12 400 Pa降到了400 Pa。为验证CFD-DSMC混合的数值仿真方法,将试验结果与仿真结果进行了对比分析,二者一致性非常好。对比结果显示数值仿真方法在羽流效应分析方面的强大功能。研究获得了模型发动机羽流场的压力分布特性,可用于原型发动机的羽流效应分析。     

CVI沉积炭纤维束的组织结构

采用CVI工艺在常压下对单束炭纤维进行热解沉积,天然气为前驱体,N2为载气,沉积温度为1 020～1 100℃,沿纤维束轴向分布。对不同位置炭纤维束外和束内热解炭组织结构分别进行PLM表征。研究发现,束外热解炭在距离热电偶(0位置)上方40～80 mm处沉积厚度达到最大,在0～80 mm内组织结构良好,主体为高织构;束内沉积热解炭的厚度较均匀,组织结构的变化与束外一致。对气体裂解过程中的反应气体组分进行模拟并与实验对比,发现生成高织构时,热解反应中间产物中的C2H2/C6H6范围为15～35。     

基于有限元仿真的薄壁圆柱壳轴向动力屈曲实验研究

研究薄壁圆柱壳的动力屈曲行为，有助于构造具有高吸能率的抗爆和抗冲击结构。基于有限元仿真，比较撞击系统动能的时间历程和屈曲变形的时间历程，提出了用以确定第二临界速度的能量迭代法，应用此方法设计薄壁圆柱壳的动力屈曲结构可有效地减少试验次数，降低实验成本。该方法的可行性和正确性利用落锤实验得到了验证。另外，数值仿真和实验研究表明：轴向冲击下的薄壁圆柱壳，随径厚比的增加，折屈边数有明显增加的趋势。     

过渡区球头气动力特性DSMC仿真研究

采用DSMC（Direct Simulation Monte-Carlo）方法模拟三维球头过渡区流动。文章给出了球头绕流流场的温度与压力分布图,以及在不同Knudsen数、不同马赫数条件下球头表面压力系数分布曲线,并将阻力系数模拟结果与桥函数公式进行了比较分析。     

AlN/GaN HEMT毫米波器件结构仿真研究

为实现更高工作频率的氮化镓（gallium nitride,GaN）基高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）器件，采用薄势垒外延结构、缩小栅长对提升器件的截止频率十分重要。通过对不同氮化铝（aluminium nitride,AIN）势垒层厚度以及不同尺寸栅长的AlN/GaN HEMT进行仿真分析，系统研究不同结构对器件短沟道效应、直流及频率等特性的影响。首先固定栅长为100nm，研究了跨导与截止频率随AlN势垒层厚度的变化情况。跨导随势垒层厚度的增加先增大后减小。当势垒层厚度为4nm时，跨导达到最大值(592mS/mm)，截止频率也达到最大值。为尽可能提升器件的截止频率，同时避免器件出现短沟道效应，固定AlN势垒层厚度为4nm，研究器件截止频率与短沟道效应随器件栅长的变化情况。仿真表明器件截止频率随栅长的减小而增大，50nm栅长的器件截止频率最高，但栅长为50nm时器件短沟道效应严重，此时器件纵横比(Lg/Tbar)为12.5。因此需要提升器件的纵横比，当器件栅长达到100nm时(Lg/Tbar=25)，器件短沟道效应得到抑制，且具有较高的截止频率。仿真结果表明，AlN HEMT具有较高的截止频率，同时应采用较大的纵横比设计(纵横比为25左右)以抑制短沟道效应，为后续高频AlN/GaN HEMTs器件的制备提供了理论依据。     

不同高度通道内热薄燃料火焰传播特性的研究

为探究通道高度对逆风火焰传播特性的影响,采用实验、数值模拟、理论分析方法对微重力条件下不同高度通道内热薄燃料火焰传播特性进行了研究。通道高度分别为10mm, 14mm和60mm的短时落塔微重力实验结果表明,相同逆风气流速度时,随通道高度增加,火焰传播速度逐渐增大,且10mm, 14mm和16mm高度通道下的火焰长度比约为通道半高度比的二次方关系。数值模拟与理论分析表明,微重力条件下,随通道高度增加,火焰传播速度、火焰长度先增大再减小,呈非单调的变化趋势。燃烧热释放速率随高度变化呈非单调变化趋势,同火焰传播速度变化规律基本一致。     

Influences of the turbulence model and the slot width on the transverse slot injection flow field in supersonic flows

Transverse slot injection scheme is very important for the mixing process between the air and the fuel in supersonic flows. The effect of the turbulence model and slot width on the transverse slot injection flow field has been investigated numerically based on the grid independency analysis, and the predicted results have been compared with the experimental data available in the open literature. The obtained results show that the grid scale makes only a slight difference to the wall pressure profiles for all jet-to-crossflow pressure ratios employed in this study, and the wall pressure profile with low jet-to-crossflow pressure ratio is predicted accurately by the RNG k–ε turbulence model, the SST k–ω turbulence model for the flow field with high jet-to-crossflow pressure ratio. High jet-to-crossflow pressure ratio can increase the jet penetration depth in supersonic flows, and the gradient of the length of the upstream separation region is larger than that of the height of the Mach surface. At the same time, when the jet-to-crossflow pressure ratio is maintained constant, the jet penetration depth increases with the increase of the slot width.     

UltraFlex太阳电池阵的结构优化

以提高圆形太阳电池阵的展开过程稳定性和固有频率为优化目标,以UltraFlex太阳电池阵为模型,采用有限元软件SAMCEF对其进行结构优化。以承重梁材料、斜梁开口高度、斜梁位置、梁截面高度及厚度5种结构参数为优化变量,进行了多种工况的展开动力学仿真和模态计算。经分析发现,结构展开后期太阳毯与支撑梁拉扯会导致支撑梁剪切应力激增;梁材料、斜梁位置与支撑梁截面高度对太阳电池阵的展开过程稳定性影响较大;当梁材料为碳纤维,斜梁位置为1100 mm,梁截面高度为20 mm时,展开过程稳定性最好;斜梁位置和承重梁截面厚度对结构固有频率影响较大;当斜梁位置为900 mm或1100 mm、承重梁截面厚度从3 mm增至3.5 mm时,系统固有频率涨幅最大,由此带来的质量增加可以接受。     

薄壁不锈钢管数控绕弯成形数值仿真及工艺研究

针对航天某型号薄壁弯管成形难度大、尺寸精度低等问题,提出了数控绕弯成形替代拼焊成形,分析数控绕弯工艺特点及参数确定方法。建立模型对成形工艺参数进行有限元仿真,分析弯曲速度及芯头直径缩减量对不锈钢管成形影响,并通过试验得到优化的工艺参数。结果表明弯曲速度为8mm/s、减小芯头缩减量为0.6mm时,成形零件截面畸变不超过4%,最小壁厚0.65mm,弯曲后管材产生形变强化效果,组织更为细密,成行排列的方向性更明显,提高了零件强度。