蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统设计与性能分析

为有效解决在日蚀区太阳能热推进器推力失效、电力中断的问题,提出了蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统结构,并对系统各部件建立相关物理数学模型,分析了工质种类、工质流量等因素对推进性能的影响。结果表明,为保证推进器在日蚀区30min内持续提供推力和电力供应,砷化镓热光伏电池在无工质工况下能提供10W左右的低功率电力供应,在设计工况下能提供50W～110W的电力供应;液氢作为工质时,最大比冲将达到806s,随着工质流量的持续增加,比冲损失速率呈现先加快后减慢的变化趋势;液氨作为替代工质具有更快的加热速率,其比冲为240s～300s远低于氢工质比冲,其推力系数1.77要略高于氢工质推力系数1.7。通过本文研究,蓄热式太阳能双模推进系统具有较好的可行性,且推力及比冲适中,有望弥补低比冲化学推进和小推力电推进技术的不足。     

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统换热特性数值模拟研究

本文通过三维数值模拟研究蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统的蓄/释热特性和推进性能。在蓄热式太阳能热推进系统工程模型的基础上,通过射线光学的光路分析验证了聚光器设计的合理性,并获得吸热腔壁面能量分布情况,进一步研究了相变蓄热过程的影响因素。基于场协同原理对热光伏再生冷却结构进行了优化设计,使热光伏具有较好的散热特性,提高发电功率;通过整机流动换热仿真,分析了工质流体在推进器内部的换热情况,计算结果表明,蓄热式热推进器具有达到734s比冲和0.9N推力的推进性能,以及能够满足日蚀区微小卫星的供电和推力需求。     

第二代490N轨控发动机研制及在轨飞行验证

490N液体火箭发动机被广泛使用于航天器远地点机动入轨或者为其他轨道机动提供推力。我国第一代490N发动机真空比冲为304.7s,曾经成为制约我国航天器寿命上台阶的技术瓶颈,因此开展了基于铌合金材料的高性能第二代490N发动机研制工作,比冲提高10s。对第二代490N轨控发动机的研制和在轨飞行验证结果进行了总结和分析。第二代490N发动机研制过程中突破了高性能喷注器、耐高温材料及涂层、发动机头部喷注器法兰和燃烧室壁面结构温度控制、抗高量级力学环境能力以及热防护罩等多项关键技术,真空比冲达到了317.8s,单台发动机累计199次启动工作寿命40000s以上,工作性能达到国际同等水平。     

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

高超声速一体化飞行器推阻特性测量研究

利用飞行器和发动机研究成果,设计了能在0600mm脉冲燃烧风洞开展试验研究、基本满足推阻平衡要求的缩比机体／推进一体化飞行器模型,利用0600mm脉冲燃烧风洞,完成了带动力一体化飞行器推阻特性的试验研究。设计了组合式三分量一体化飞行器测力天平,在以氢气为燃料、发动机工作时（油气比约为1．2）,一体化飞行器模型推力与阻力相当,飞行器实现了推阻平衡。试验表明,飞行器和发动机匹配良好,发动机实现了点火和稳定燃烧,并取得了较高的推力收益,较好地验证了超燃冲压发动机和一体化飞行器设计和计算分析预测的有效性,为大尺度飞行器测力研究奠定了技术基础。     

液体火箭发动机不同室压下冷却方案适用范围

为了精准评估不同冷却方案对高压液氧烃火箭发动机推力室传热特性的影响,建立了一套再生通道-液膜屏蔽-隔热镀层-辐射换热的整机模型,采用Ievlev半经验模型计算燃气侧壁面的对流换热过程,引入Shruvik安全裕度评估准则,计算推力室径向的分区温度和热流密度。基于某型大推力液氧煤油火箭发动机,研究了不同冷却结构组合的换热能力上限,分析了不同推力室压力对冷却设计方案的影响。结果表明:推力室压力在12 MPa及以下时,可主要依靠再生冷却技术满足冷却需求;在16 MPa及以下时需要配合内冷却环带满足冷却需求;在18 MPa及以下时需进一步设置隔热镀层提高热防护能力;室压在20 MPa甚至更高时,必须采用其他强化换热措施。      

通道深宽比对液体火箭发动机推力室再生冷却的影响

应用湍流模型对液体推进剂火箭发动机再生冷却推力室通道的流动与传热进行了三维数值模拟, 冷却工质为氢气, 其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化, 冷却剂比热容及金属固体物性随着温度而变化.计算采用标准k-ε两方程湍流模型及气-固耦合算法.保持再生冷却通道个数及冷却工质进口流量不变, 通过改变通道肋壁厚度来改变冷却通道深宽比, 研究不同深宽比对推力室壁面再生冷却效果的影响规律.计算结果表明:增加通道深宽比对推力室壁面能够起到强化传热的作用, 但同时也增加了冷却通道的进出口压差.这是由于冷却工质流速的增高, 从而提高了推力室传热系数.随着深宽比不断增加, 推力室再生冷却效果趋于饱和, 而冷却工质进出口压降则不断上升.      

空天飞行器弹道/轨道一体化设计

弹道/轨道一体化设计是解决空天飞行器发射入轨和轨道转移问题的一种全新思路。针对目前存在的空天飞行器弹道/轨道一体化设计问题,通过改进非开普勒轨道方程的方法建立飞行器在连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种力作用下的弹道/轨道一体化设计动力学模型;提出基于轨道设计反方法的弹道/轨道一体化设计方法。其创新点主要体现在：通过整合连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种作用力达到了统一弹道/轨道模型的目的;提出了基于傅里叶级数形状方法的轨道设计方法,该方法相比于之前的逆多项式法,可以处理带推力约束的轨道设计问题;由于在弹道段采用类似于轨道设计反方法的设计思想设计弹道,使得弹道和轨道两段轨迹的设计方法也达到了统一,致使从模型和设计方法的角度都体现了弹道/轨道设计的统一性,解决了传统分段设计方法是在不同段采用不同的模型和方法,很难体现出一体化设计思想的问题。仿真分析表明本文提出的弹道/轨道一体化设计方法是可行和有效的。     

二级入轨载机小涵道比涡扇发动机探讨

对五种涡轮发动机的概念研究表明 :小涵道比涡扇发动机与冲压发动机组合,适于用作二级入轨载机的动力装置。      

Electric space propulsion systems

Active development of electric thrustors began 10 years ago. Today, several kinds of thrustors have achieved efficiencies above 90 % and lifetimes of several thousand hours. The following article derives the basic theory of electric thrust production at constant exhaust velocity, and at variable exhaust velocity programmed for optimum vehicle performance. Electrothermal or arcjet; electrostatic or ion; and electrodynamic or plasma thrustors are described. At the present time, ion thrustors of the electron bombardment and of the surface ionization types are the most promising systems. Electric power in space may be generated by solar cells or nuclear-electric generators. It is expected that the incore thermionic converter will eventually be the preferred system. A variety of missions with electric propulsion systems appear feasible and highly desirable, among them orbital station keeping, attitude control, planetary probes, solar and out-of-the-ecliptic probes, deep-space probes, and manned Mars and Venus exploration. For each mission, a careful systems-design study must be made, which will provide the optimum selection of thrustor type, thrust level, exhaust velocity, thrust program, power source, trajectory, and flight plan.     

变推力液体火箭发动机推力调节技术研究综述及发展趋势

系统梳理了国内外变推力液体火箭发动机调节控制技术的研究历程及研究现状，并结合我国航天动力研究基础，指出通过在主系统或副系统管路上设置液体或燃气流量调节装置、通过可调结构的针栓式喷注器同步对流量与压力进行匹配调节仍然是实现大范围变推力调节的两种主要手段；分析了变推力液体火箭发动机推力调节的关键技术及其解决途径，预测了未来一段时期内变推力液体火箭发动机及其调节技术发展趋势，提出了若干适合我国国情的研究建议，为我国低成本、可重复使用天地往返运输技术的发展和有关研究者开展研究工作提供一定的参考。     

发汗冷却层板结构的受热皱损分析

针对液体火箭发动机层板发汗冷却推力室的结构层板可能出现受热皱损的问题,采用三边简支、一边自由的矩形薄板假设,对结构层板的扩散流动区进行稳定性问题的讨论。分析了典型结构的层板发汗冷却推力室由热应力引起的变形,获得了结构层板发汗缝隙宽度和层板厚度之间的关系,并通过算例说明了避免层板受热皱损的设计计算方法。     

燃气非平衡流再生冷却流动传热数值模拟

为准确预测液体火箭发动机推力室身部再生冷却换热状况,采用数值模拟方法,对燃气、推力室壁和超临界气氢进行三维流动和换热耦合计算。采用6组分9步反应动力学模型计算燃气的非平衡化学反应,采用DO模型计算燃气辐射换热,考虑超临界气氢物性随温度和压力的变化。获得了室壁温度场、燃气及冷却剂流场。结果表明,Redlich-Kwong方程、Peng-Robinson方程、Lucas法、TRAPP法能分别准确计算超临界氢的密度、定压比热容、粘度、导热系数,采用燃气非平衡流计算所得流场值更符合实际情况。     

Thermal state calculation of chamber in small thrust liquid rocket engine for steady state pulsed mode

This paper presents a method of thermal state calculation of combustion chamber in small thrust liquid rocket engine. The goal is to predict the thermal state of chamber wall by using basic parameters of engine: thrust level, propellants, chamber pressure, injection pattern, film cooling parameters, material of wall and their coating, etc. The difficulties in modeling the startup and shutdown processes of thrusters lie in the fact that there are the conjugated physical processes occurring at various parameters for non-design conditions. A mathematical model to predict the thermal state of the combustion chamber for different engine operation modes is developed. To simulate the startup and shutdown processes, a quasi-steady approach is applied by replacing the transient process with time-variant operating parameters of steady-state processes. The mathematical model is based on several principles and data commonly used for heat transfer modeling: geometry of flow part, gas dynamics of flow, thermodynamics of propellants and combustion spices, convective and radiation heat flows, conjugated heat transfer between hot gas and wall, and transient approach for calculation of thermal state of construction. Calculations of the thermal state of the combustion chamber in single-turn-on mode show good convergence with the experimental results. The results of pulsed modes indicate a large temperature gradient on the internal wall surface of the chamber between pulses and the thermal state of the wall strongly depends on the pulse duration and the interval.     

Optimization method for mission analysis of aeroassisted orbital transfer vehicles

This paper is about an optimization method which has been developed to deal with trajectory optimization and mission analysis of an aeroassisted orbital transfer vehicle (OTV), in the context of preliminary design studies. Although this kind of trajectory can already be computed with existing trajectory optimization tools, we need a faster and robust tool which can be integrated as a “black box” in a multidisciplinary design process, in order to study rapidly many different OTV concepts and missions. In this context, our objective is not to get a very precise “optimal trajectory”, as existing “heavy” optimization tools do, but a solution precise enough to give a good insight of the performance (namely, the apogee altitude variation) and the mechanical and thermal loads. Incidentally, the solution obtained may also be used as an initial guess for a more precise trajectory optimization tool. To achieve this goal, we have studied parametric formulations of the control law, with optimization of the switching times. This development has been done considering a low lift-to-drag ratio vehicle (controlled only with the bank angle), like the aerocapture-designed version of the Mars Sample Return Orbiter. The cost function to be minimized is the heat flux, which is a key parameter for the multidisciplinary design of this kind of vehicle. The parametric formulation eventually chosen yields a good level of precision and robustness. Also, the study has been pushed further with the optimization of some mission parameters in the same process, in order to get directly preliminary answers to some trade-off issues in the mission analysis, like the choice of the initial perigee altitude.     

Lunar habitat concept employing the space shuttle external tank

The space shuttle external tank, which consists of a liquid oxygen tank, an intertank structure, and a liquid hydrogen tank, is an expendable structure used for approximately 8.5 min during each launch. A concept for outfitting the liquid oxygen tank-intertank unit for a 12-person lunar habitat is described. The concept utilizes existing structures and openings for both man and equipment access without compromising the structural integrity of the tank. Living quarters, instrumentation, environmental control and life support, thermal control, and propulsion systems are installed at Space Station Freedom. The unmanned habitat is then transported to low lunar orbit and autonomously soft landed on the lunar surface. Design studies indicate that this concept is feasible by the year 2000 with concurrent development of a space transfer vehicle and manned cargo lander for crew changeover and resupply.     

小型固体运载火箭六自由度弹道仿真

针对控制系统采用侧喷流发动机和栅格舵的新型小型多级固体运载火箭开展六自由度弹道仿真研究。给出侧喷流发动机安装模型和推力模型以及开关机控制规律,阐明气动力和气动力矩计算方法;并建立了固体发动机推力模型,以及完整的六自由度弹道动力学和运动学模型。仿真结果表明:建立的六自由度弹道仿真模型能正确反映运载火箭飞行特性;研究的固体运载火箭满足将300kg有效载荷送入200km太阳同步轨道的运载能力要求;姿态控制系统满足运载火箭姿态控制精度要求;侧喷流推进剂质量分配合理,为总体方案论证和初步设计提供了理论依据。     

无杆臂误差快速传递对准方法

机载或舰载武器系统惯性导航系统动基座对准的首选方案就是传递对准,速度匹配传递对准因为其较好的水平失准角可观测性以及线性量测模型得到了广泛的应用。但当载体存在角运动时,速度匹配传递对准必须对杆臂误差进行补偿,由于变形的存在,使得杆臂误差的准确补偿存在较大的困难。针对这一问题,研究了一种不需要进行杆臂误差补偿的快速传递对准方案,能够在杆臂误差较大时,以较快的速度获得较高的失准角估计精度。计算机仿真结果验证了理论分析的正确性。     

一种三组元直排塞式喷管发动机系统方案

三组元发动机和塞式喷管发动机均是实现单级入轨的关键技术。针对三组元(液氢、液氧、煤油)直排塞式喷管发动机提出了一套系统结构方案，并对其进行了初步的研究计算。发动机采用泵压式燃气发生器动力循环系统。利用蝶形活门关闭煤油管路、利用可调气蚀管调节氢氧流量转变工况，利用可调气蚀文氏管和涡轮排气进行推力矢量控制。以已有的三组元塞式喷管发动机推力室设计、分析为基础，继承了三组元发动机和塞式喷管的研制成果，是技术先进、性能高、可在短期内实现的新型液体火箭发动机。