基于地外天体起飞的真空羽流导流技术仿真与试验研究

针对着航天器发动机羽流导流问题,基于工程经验提出了四种典型导流装置型面(包含内凹槽形式和导流锥形式等),利用计算流体动力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞过程中羽流导流带来的气动力和气动热效应进行了数值模拟,并对不同导流装置情况下羽流场激波、航天器表面压强和热流密度分布规律进行了分析,给出了四种导流装置的导流效果评价。最后以导流锥形式开展试验,对仿真算法进行了验证。结果表明：羽流导流并没有导致发动机燃烧不稳定;综合考虑航天器羽流和发动机安全性,大导流锥导流的方案最优;在导流锥附近的激波位置及形态和仿真一致,仿真与试验的变化趋势一致,仿真算法可信,数据规律可以作为工程参考。     

基于直接模拟蒙特卡洛方法的真空羽流不确定量化研究

真实流动环境下的真空羽流必然存在着各种不确定性,那么确定性输入条件的数值模拟必然会存在偏差,因此需进一步研究不确定性对羽流流动特征的影响规律。本文采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法,对不确定性输入的羽流流场进行模拟;采用稀疏的概率配置点方法对来流、壁面及模型参数等输入不确定量进行描述,对不确定性的传播和输出目标的平均值、方差及不确定度进行计算。研究表明,流场不确定性沿流线传播至流速最大处之后迅速增强,并在声速线前出现骤减的现象;传播至声速线之后,挡板壁面输入不确定性的影响凸显。其中最为显著的是,压力不确定度在挡板驻点位置达到全场最大值,约为输入不确定量(3.54%)的2.1倍。此外,温度跳跃不确定度受到壁面温度不确定性输入的限制而近似保持为一个恒定值,约为输入不确定度的0.8倍。进而,壁面热流不确定度(5.54%)比壁面正应力不确定度(6.25%)略小,切应力不确定度最小(5.07%)。Sobol’全局敏度分析表明,喉道速度和喉道压力的输入不确定性对气动力/热不确定度的贡献是最大的,且远远超过了壁面温度和模拟分子直径不确定性输入的贡献。     

解耦N-S/DSMC方法计算推力器真空羽流的边界条件研究

准确模拟羽流流场是合理评估空间推力器真空羽流效应的基础。因羽流流场同时包含连续和稀薄两种流动机理,通常采用解耦方式的Navier-Stokes(N-S)方程和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)混合方法对其进行模拟。为保证解耦N-S/DSMC方法应用于羽流计算时的准确性并尽量提高其计算效率,对计算中的DSMC入口和喷管壁面等边界条件设置问题开展了研究。通过与文献中低总压工况的羽流试验数据比较,确定了合理设置DSMC入口边界位置、壁面反射类型、壁温等边界条件的方法。针对将此方法应用于实际推力器工况计算时效率过低的问题,通过多种数值试验,表明从喷管出口处开始沿KnGL为0.05的等值线作为DSMC入口界面可同时保证仿真精度和较高的计算效率;并证明实际工况下壁温设置对羽流场仿真结果影响不大。     

基于DSMC方法的真空羽流不确定量化研究-空间推进专刊*

真实流动环境下的真空羽流必然存在着多种不确定性,那么确定条件输入的数值模拟会存在偏差,因此需进一步研究不确定性对羽流流动特征的影响规律。本文采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对不确定性输入的羽流流场进行模拟,采用稀疏的概率配置点方法对来流、壁面及模型参数等输入不确定量进行描述,对不确定性的传播和输出目标的平均值、方差及不确定度进行计算。研究表明,流场不确定性沿流线传播至流速最大处之后迅速增强,并在声速线前出现骤减的现象,传播至声速线之后,挡板壁面输入不确定性的影响凸显。最突出的是,压力不确定度在挡板驻点位置达到全场最大值,约为输入不确定量（3.54%）的2.1倍。此外,温度跳跃不确定度受到壁面温度不确定性输入的限制而近似保持为一个恒定值,约为输入不确定度的0.8倍。进而,壁面热流不确定度（5.54%）比壁面正应力不确定度（6.25%）略小,切应力不确定度最小（5.07%）。Sobol’全局敏度分析表明,喉道速度和喉道压力的输入不确定性对气动力/热不确定度的贡献是最大的,且远远超过了壁面温度和模拟分子直径不确定性输入的贡献。     

Inhibition Effect of Water Injection on Afterburning of Rocket Motor Exhaust Plume

 One of the most important characteristic signatures of the exhaust plume from rocket motor is the afterburning phenomenon, and the injected water into the plume could inhibit the afterburning. The calculation model for the gas-liquid multiphase flow field with chemical reaction in the plume is built. By inducing the energy source terms caused by the vaporization of liquid water, condensation of the vapor and chemical reaction in the energy equation, the gas-liquid multiphase flow field and the afterburning phenomenon are calculated in a coupling way. Mixture multiphase flow model is used to calculate the gas-liquid flow field, and the vaporization mechanism is used to investigate the water vaporization process. The temperature contours are obtained and accord well with the experimental photos. The mass fraction contours of primary species are obtained, which can indicate the extent of inhibition effect of water injection on the afterburning phenomenon in the plume. When water is injected into the plume, the region of afterburning reduces a lot, and temperature on the ground wall declines rapidly, which can de-crease the ablation of the combustion gas to the launch ground.     

多喷管液体火箭动力系统尾焰冲击特性研究

为深入研究多喷管液体火箭动力系统尾焰冲击特性,以由多喷管液体火箭动力系统构成的发射平台为研究对象,采用三维N-S方程描述尾焰冲击流动过程,采用Realizable k-ε湍流模型封闭流动方程组,并运用压力的隐式算子分割(PISO)算法进行求解,得到了火箭动力系统尾焰对不同导流面导流槽的冲击流场参数。结果表明:导流面上受冲击影响最大的是沿喷管轴线方向的正冲击区域,且助推器尾焰对导流面的冲击效应相比于芯级更加强烈。锥形导流面对多喷管动力系统尾焰具有很好的引射和导流作用,相比于楔形导流面更能降低尾焰的冲击影响,但会在流场中形成漩涡并卷吸高温燃气,可能对发射系统造成破坏,需要增加相应的热防护措施。     

液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响

为深入研究液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响,建立了一个适用于液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的计算模型。利用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中复燃反应采用有限速率化学反应模型;采用HITEMP数据库利用逐线积分法(LBL)计算尾焰气体的辐射气体参量;采用反向蒙特卡洛法(BMC)求解辐射传输方程,得到尾焰复燃流场的红外辐射特性。结果表明,复燃反应可大幅度改变尾焰流场特性,进而改变尾焰红外辐射特性。相比于冻结流,反应流流场温度和主要辐射气体含量最大增幅分别可达15.4%及47.5%,主要辐射波段内辐射强度最大增幅可达31.5%。随发动机飞行高度增加,复燃反应所引起的红外辐射强度增量随之降低。     

热真空环境对常用胶接材料性能的影响

空间的热真空环境是造成光电子器件胶接材料性能退化和放气污染的重要因素.为此,考察了几类典型胶接材料的热真空老化和热真空挥发特性,分析了热真空老化后的力学性能变化及真空挥发产物的主要来源,并对热真空挥发预处理方法进行了验证.结果表明软质的硅橡胶与硬质的环氧树脂胶和丙烯酸树脂胶相比有着更大的质量损失,且含有端羟基的缩聚型硅橡胶和环氧树脂胶真空老化后的模量变化较大.通过真空预处理可以作为降低固化胶真空挥发产物来源的一种有效手段.可为宇航用光电子器件胶接材料的设计选型提供参考依据.     

高空舱内次流与真空度对发动机台架测量推力影响的分析

通过高空舱内冷却空气流动与高空舱内外压差对发动机测力系统作用的分析,阐明了高空舱内次流和真空度对发动机台架测量推力影响的作用机理和本质差异,并从理论上论证了次流作用和真空度作用对测量推力影响的试验确定方法。      

真空预氧化处理对热障涂层静态氧化行为的影响

利用超音速火焰喷涂技术在DZ40M合金表面制备了Ni Co Cr Al Y粘结层,采用等离子喷涂技术在粘结层表面制备了陶瓷面层,并对整体热障涂层进行了真空预氧化处理。通过高温静态氧化实验研究了真空预氧化对热障涂层的氧化行为的影响。结果表明:真空预处理可在MCr Al Y粘结层和陶瓷面层的界面处形成连续、致密的α-Al2O3层;在1050℃下氧化800h后,喷涂态涂层TGO中除α-Al2O3外,还生成了大量尖晶石氧化物,而预氧化涂层TGO则以α-Al2O3为主;预氧化处理有效抑制了涂层在高温氧化过程中尖晶石氧化物的形成,从而降低了整体氧化膜的生长速率。     

真空100 keV质子辐照对石墨膜热性能的影响

研究了25 μm石墨膜在能量100 keV最大注量2.5×10¹⁵ p/cm²的真空质子辐照条件下的微观结构和热性能,采用拉曼光谱（Raman spectrum）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）进行微观结构分析,采用激光闪射法（LFA）进行热性能分析。石墨膜晶面间距为0.335 83 nm,石墨化度为95.0%。结果发现,质子辐照会导致石墨膜表层产生缺陷,片层间距增大,石墨化度降低,氧含量升高;随着质子辐照注量的增加,Raman光谱中D和G峰的积分面积比表明缺陷密度不断增加。25 μm石墨膜经过能量为100 keV注量为2.5×10¹⁵ p/cm²质子辐照后,石墨膜热扩散系数无明显变化。     

航班起飞和着陆的微观仿真模型研究

起飞和着陆过程的微观仿真是提高跑道运行仿真逼真度的关键技术之一。详细分析了起降过程仿真各阶段的运动特征,提出了基于运动方程和气动模型的计算机仿真模型。通过仿真实验说明该模型能正确表现航班起飞和着陆的微观运动过程,准确反映特征运动及其发生时刻。该模型在容量评估、跑道运行管理和塔台管制仿真中具有广泛的应用前景。