基于静态排水和被动排热技术的全被动氢氧燃料电池研究

常规氢氧燃料电池系统较为复杂,为简化燃料电池系统,设计了一种基于静态排水和被动排热技术的全被动燃料电池。通过增加静态排水和导热板等组件,加强了燃料电池的功能性,减少系统关键零部件。极化性能显示全被动燃料电池与常规燃料电池性能相当,表明全被动燃料电池结构改进并未对燃料电池性能造成不良影响。测试结果表明,全被动燃料电池可长时间恒电流稳定工作,且运行期间电池内部温度仅存在小范围的稳定波动,说明电池运行中产生的废热和多余的水分可以通过导热性能较好的热解石墨和排水组件排出电堆,达到热量和水的平衡。这种基于静态排水和被动排热技术的全被动燃料电池简化了电池系统结构,提高了可靠性,在航天领域具有广阔的应用前景。     

水下燃料电池推进技术研究进展

水下燃料电池推进系统具有能量转换效率和比能量高、振动噪声低、无尾气排放等诸多优势,可大幅提高无人潜航器的航程、航深和隐蔽性等关键性能,是水下推进领域极具发展潜力的技术方向。本文介绍了水下燃料电池推进系统组成和工作原理,归纳了国内外在无人潜航器、氢氧燃料电池和高能氢氧源方面的研究进展,探讨了燃料电池推进技术未来的发展重点。在氢氧燃料电池方面,应重点解决纯氧供应和闭式循环带来的排水、腐蚀等问题。在高能氢氧源方面,能量密度较高的是铝水反应制氢、柴油重整制氢和高氯酸锂制氧,应予以重点关注。     

微孔过滤分离技术在空间氢氧质子交换膜燃料电池中的应用

传统氢氧燃料电池的水管理涉及气体循环泵、加湿器和气水分离器等辅助部件,存在系统复杂、可靠性低等问题,采用被动的水管理模式可以解决这些问题。被动式水管理的关键在于实现气液分离过程的被动化。采用高分子微孔膜作为气液分离组件,组装并测试被动排水燃料电池。测试发现,70℃温度、0.02 MPa压差情况下,0.1μm高分子微孔膜的水通量可达5 L·min-1·m-2,在满足排水需求的同时限制了气体通过多孔微孔膜的扩散迁移;200 m A·cm-2电流密度时单体电压可达0.825 V,最大稳态工作电流密度可达500 m A·cm-2,组装的被动排水燃料电池成功通过典型工况测试和方向敏感性测试。     

多喷嘴构型的轴对称氢氧加热器设计与仿真

为了使氢氧燃烧加热器满足自由射流试验台工作需要并获得均匀的出口气流参数,采用同轴剪切式7个喷嘴轴对称构型喷注器,利用CFD仿真软件对其进行了三维反应流场计算,燃烧模型采用氢氧单步反应模型,获得了设计工况下的参数.计算结果表明:燃烧效率随着中心喷嘴与外围喷嘴距离L与喷注面板半径R之比(L/R)的增大先上升后下降;喷注面板的温度随着L/R的增大而降低,最终维持在600K左右;加热器出口的氧气摩尔分数以及总温的均匀性基本不随着L/R变化而变化;出口主流区的马赫数在6左右满足设计要求.在各个喷嘴的影响区域大致相等时,加热器综合性能良好.氢氧速度比越大,完全燃烧所需区域越短,喷注面板温度越高.与单喷嘴、19个喷嘴的加热器比较发现7个喷嘴的构型较为合理.      

氢/氧气-气喷注器冷流掺混与燃烧比较的仿真研究

分别采用无化学反应的和带化学反应的湍流N-S方程描述发动机内流动过程,对气-气同轴剪切式单喷注器进行了冷流掺混和燃烧的仿真.其中化学反应速率由Arrhenius公式计算,采用9步详细反应动力学模型来描述氢氧反应.对典型冷流和燃烧仿真结果进行了比较,结果表明燃烧掺混速率明显小于冷流掺混速率;并对同轴喷注器关键参数对冷流和燃烧掺混的影响进行了仿真和分析比较,得到速度比、缩进量和喷注流量的影响是一致的,而喷注速度的影响是相反的.      

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。     

微陀螺g敏感性误差对组合导航精度的影响分析

高动态环境下,MIMU中的微机械陀螺表现出显著的g敏感性误差。首先采用简化的线性模型,从经典卡尔曼滤波的滤波增益阵出发,理论分析了g敏感性误差对组合导航系统精度的影响;然后在组合导航半实物仿真平台上进行了验证。结果表明,g敏感性误差对组合滤波位置与速度精度影响不大,但对姿态的精度影响较大,当载体沿陀螺敏感轴方向的加速度为50g时,相应轴向的姿态角误差约为5.70°,姿态精度损失很大。因此,MIMU/GNSS组合导航在高动态应用中,必须对微陀螺的g敏感性误差进行补偿。     

激光陀螺机械抖动偏频对等效转动矢量姿态计算的影响

研究了激光陀螺机械抖动偏频影响等效转动矢量姿态计算精度的机理。用双子样N次迭代算法推导了载体实际姿态角运动与机械抖动发生谐振时产生的姿态计算误差项,指出其误差作用机理与惯性导航比力方程计算中划摇误差的相似性。针对三轴激光陀螺共一个机械抖动轴和3个单轴激光陀螺构成惯性组合两种情况进行了讨论。根据对静态条件下惯性组合中激光陀螺采样信号的功率谱密度分析,指出当采样频率较低时,会产生与抖动有关的低频周期分量,与低频的载体姿态运动谐振将产生姿态计算误差,应尽量提高采样频率及等效转动矢量计算频率。     

同轴双剪切气-气喷嘴数值模拟

通过求解k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组,对以气氢/气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴燃烧室流场进行数值模拟研究.结果表明:气-气推进剂在燃烧室内形成两个燃烧面,能在大流量下实现较高的燃烧效率;同轴双剪切喷嘴的氧喷注速度和氢氧速度比是同轴双剪切喷嘴设计的关键参数,氧喷注速度越小使推进剂的燃烧位置越远离喷注面,而氢氧速度比越大使燃烧位置越靠前;与气-液同轴剪切喷嘴相比,同轴双剪切气-气喷嘴的设计可以取较大的氧喷注速度和适合的氢氧速度比.      

速度比对气-气喷嘴燃烧性能的影响

为研究应用于全流量补燃循环发动机的气-气喷嘴,开展气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴的热试试验研究。通过测量燃烧室压力和燃烧室壁面温度,研究氢氧速度比变化对燃烧效率和对燃烧室热载荷的影响。结果显示燃烧效率受到速度比和推进剂喷射绝对速度的影响;燃烧室热载荷随速度比增大而增大。气-气喷注器的设计应选择小的氧喷注压降和适合的速度比。     

基于甲醇燃料的航空燃料电池内燃机混合动力系统性能分析

为了实现航空碳减排的时代需求,亟需在航空燃料体系和航空动力系统方向实现技术革新。本文提出了基于甲醇燃料的航空燃料电池内燃机混合动力系统方案,甲醇通过机载在线催化重整制氢为燃料电池供氢,燃料电池和内燃机发出的电能带动电动螺旋桨进行工作。进行了模块化建模方法和混合动力系统性能仿真分析研究,结果表明：混合动力系统的发电效率达到了55%,相比甲醇内燃机有了15%绝对值的效率提升,有助于降低燃料消耗。进行了混合动力系统性能参数影响规律分析,结果表明：混合动力系统的效率随着压比的增大而提高,随着燃料利用率的提高而呈现先升高后降低的效果。进行了混合动力系统的?分析,结果显示：混合动力系统中?效率最高的部件是燃料电池,?损最大的部件是重整器。质量分析结果表明：混合动力系统的功率密度达到0.488 kW/kg。     

基于车载用燃料电池直流变换器的研究及应用

通过对燃料电池的特性及碳化硅(SiC)功率器件分析,研究适合车载用的高效率和高可靠性的燃料电池专用Boost变换器。通过对变换器的拓扑结构的优化、效率的提升及控制方法改进等方面研究,设计了一款电压变换比大的适合燃料电池运行要求的高效及可靠运行的变换器。试验样机测试证明,该变换器具有良好的动态和稳态控制特性、效率高,可实现燃料电池的稳定输出运行,有效保护了燃料电池,进一步延长了燃料电池寿命。     

GC－4高强度钢化学短裂纹特性研究

采用恒ΔＫ法对ＧＣ－４钢在３．５％ＮａＣｌ溶液中化学短裂纹特性进行了试验研究。结果表明：恒ΔＫ时裂纹扩展的ｄａ／ｄＮ－ａ曲线存在临界裂纹尺寸ａ。当ａ＜ａ时,显示化学短裂纹效应。ａ值几乎不受加载频率、应力比和ΔＫ水平的影响;化学短裂纹特征扩展速率与长裂纹扩展速率之比是各种力学参量的弱函数。依据分析给出化学短裂纹扩展速率与裂纹尺寸之间的关系。     

气氢/气氧同轴剪切单喷嘴燃烧室壁面热流计算与分析

以气氢/气氧为推进剂,采用数值模拟方法,研究了同轴剪切喷嘴设计参数——氢氧速度比和氧压降比对单喷嘴燃烧室内燃烧过程和壁面热载的影响,并将绝热壁面条件、等温壁面条件的计算结果与试验结果进行了对比分析,结果表明:氢氧速度比增大,燃烧性能提高,壁面热载增加;氧压降比增大,燃烧性能下降,壁面热载减小;相比采用壁面绝热燃气温度,采用热流预示燃烧室壁面热载与真实情况更为接近.      

50吨级氢氧火箭发动机的设计与研制

系统性地回顾了长征五号运载火箭芯一级50t级氢氧火箭发动机YF-77的设计与研制历程。通过分析氢氧发动机的特点以及国内外氢氧发动机的发展现状,阐述了国内新一代运载火箭研发的技术路线和50t级氢氧火箭发动机的研制背景;对50t级氢氧火箭发动机的总体技术方案及其特点进行了分析与总结,并在此基础上对发动机主要组件的技术方案及其特点开展分析;对发动机热试车情况、可靠性验证情况和故障排除情况进行了分析;对50t级氢氧火箭发动机的研制情况、技术特点进行了总结,并对国内氢氧发动机和液氧/甲烷发动机的发展进行了展望。     

喷喉烧蚀损失计算

分析了喷喉烧蚀计算的各种方法,并用实例比较了各种计算方法的优劣。理论分析和计算结果表明,用平均膨胀比与初始膨胀比计算出的理论真空比冲之比,或在平均膨胀比与初始膨胀比下按一维两相平衡流计算出的真空比冲之比来计算喷喉烧蚀效率较好。     

自主姿态测量最优算法研究

针对利用地球重力场和磁场矢量观测进行自主姿态测量的应用问题,提出了一种新的最优递推估计算法。该算法采用卡尔曼滤波框架,利用加权统计线性回归并结合自适应滤波技术进行测量更新,与现有方法相比,在提高测量精度的同时,增加了同步提供姿态速率信息的功能。仿真结果表明,新算法的姿态估计精度比目前常用的直接计算方法提高近两倍。     

无人机用燃料电池阴极供气系统建模与控制

燃料电池因其高效、无污染、噪声小等特点,被认为是未来最具有潜力的无人机（UAV）用动力源,燃料电池阴极供气系统的控制技术是决定燃料电池系统性能和可靠性的关键。针对无人机用质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极供气系统,首先,考虑外界温度、压力、空气密度以及雷诺数等随高度变化的参数,建立了跨高度离心空压机模型并分析了其在不同高度下的工作特性,基于无刷直流电机反电势特征构建了高速空压机驱动电机模型。其次,通过计算燃料电池阴极氧气和氮气的动态分压获取了PEMFC电堆输出电压。设计了基于分数阶PI^λD^μ的过氧比和阴极气压控制方法,驱动电机采用有限集模型预测控制（MPC）实现快速的转矩响应,仿真结果表明设计的控制器可在无人机跨高度运行条件下实现过氧比的快速调节,同时维持阴极气压稳定,满足燃料电池阴极供气需求。     

飞发一体化算力体系及算力参数敏感性

飞行器/发动机一体化是制约吸气式高超声速飞行器的核心和关键技术,本文针对高超声速飞发一体化构型开展了算力体系划分及算力参数敏感性研究。通过将一体化飞行器不同部件划分至气动和推进系统,研究了算力体系划分对气动/推进性能指标的影响,结果表明对于飞发一体化构型,在不同算力体系下表征的飞行器气动/推进性能可能存在较大差异,横向比较飞行器气动/推进性能必须在明确算力体系条件下进行。采用正交试验设计+方差分析的方法分析了飞行器算力对空域、速域、飞行姿态、气动热效应、真实气体效应5个因素的敏感性,结果表明壁面温度是影响飞行器轴向力计算的敏感参数,马赫数和攻角几乎影响所有气动指标。在研究范围内,雷诺数和气体比热比是飞行器气动性能的不敏感参数。     

气液两相工质激光推进的理想动力循环模型

为了分析气液两相工质激光推进的能量转换效率,建立了气液两相工质激光推进的理想动力循环模型,对能量转换效率的影响因素进行了研究。结果表明,冲压比和定容增压比是影响能量转换效率提高的主要因素,增大冲压比或定容增压比都能有效提高能量转换效率,冲压比随进口马赫数的增大而增大,而定容增压比随激光功率密度或工质中水滴与空气质量比的增大而增大。增大工质中水滴与空气的质量比能够有效增大定容增压比,提高能量转换效率,据算例可得,当冲压比π=10,水滴与空气的质量比f由0增大到10时,能量转换效率ηt由52.5%提高到了55.8%。