基于地外天体起飞的真空羽流导引技术研究方案评述

随着载人航天、深空探测的发展,探测器的地外天体发射起飞越来越多。发动机喷射的羽流所诱发的冲击振动以及反溅气流对上升级的气动力干扰,均对探测器的起飞稳定性造成不利的影响,同时也对探测器产生一定的热冲击效应。文章结合真空羽流场的流动特点和目前的研究现状,提出了基于地外天体起飞的真空羽流导引技术的研究思路、研究方法和研究路线;针对羽流导引方案,采用数值仿真和地面模拟试验相结合的方法进行了评价分析,确定了最优方案。真空羽流导引技术研究方案在某型号项目中的实施取得了良好的效果,证明了本研究思路的正确性。     

固体火箭发动机羽流温度和热流密度测量

为了获得固体火箭发动机喷管外流场的温度和热流密度,同时提高测量结果的响应程度和准确性,提出了一种固体火箭发动机外流场温度和热流密度新的测量方法。该方法应用了一套相同尺寸不同材料的双热电偶测温装置和热流测量计的组合测量装置,测量了发动机喷管外高温燃烧产物的温度和热流密度。采用FLUENT软件对固体火箭发动机喷管外流场开展了数值仿真,仿真结果与该方法的实测结果近似,进一步验证了该方法的正确性。研究结果表明,固体火箭发动机点火后喷管外部会产生高温高速的羽流,并伴随着一串串明显的激波,随着飞行高度不断攀升,羽流对外充分膨胀做功,其扩张角不断增大,激波也逐渐消失,同时该测量方法也可以为火焰导流槽的结构和热防护设计提供数据支持。     

液体火箭发动机在高空工作期间喷管及其周围流场研究

研究了液体火箭发动机(简称火箭发动机)在不同高度飞行时喷管内及喷管周围的气流流动参数分布与高度的变化关系.研究结果表明火箭发动机当其工作高度低于设计高度很多时,燃气在喷管内流动时将会产生激波;当工作高度接近设计高度时,燃气在喷管内流动时将产生微弱的斜激波;当工作高度超过设计高度时,燃气在喷管外将会产生"羽流","羽流"的面积随着飞行高度的增加而变大;当飞行高度大于设计高度时,应考虑燃气"羽流"对发动机及所携带载荷的影响,所携带载荷应有热及污染的防护措施;此时喷管应采用变面积比的喷管,即高度补偿喷管,此喷管的面积比随着飞行高度的增加而增大.     

基于羽流效应分析的航天器发动机布局设计研究

为解决由航天器姿控发动机等带来的羽流热效应问题,文章通过仿真得到了在不同的发动机布局下航天器表面的羽流热流密度分布情况,通过增大发动机的推力线角度和安装点高度,可以使得发动机羽流核心区远离航天器表面,从而降低喷流对航天器表面的加热效应。综合考虑控制力矩及推力损失、布局包络和发动机支架设计等因素,对某航天器发动机布局进行了优化设计及羽流热防护设计。     

火箭发动机喷管中气流分离预估的现状

在过膨胀火箭发动机喷管中,当壁面气流压力与环境压力之比达到一定值时气体会从喷管壁分离。这种气流分离及其理论预估是过去十年中试验和理论研究的课题,而且为预估气流分离而建立的各种模型和所做的各种假设已经得到很大发展,既有理论模型,也有纯经验模型。本文借助于在 DLR(德国航空航天研究院)所建立的数据库,对不同模型进行了论述,几乎包括了所有公开发表的气流分离数据。本文对一种新的、更加准确的分离准则提出了看法。试验时,在喷管中观察到两种不同的气流分离现象,即自由激波分离和受限激波分离。对这两种现象都进行了详细讨论,并描述了压缩波和膨胀波。对于自由激波,排气羽流中可以产生三种不同的激波结构:有规则的反射激波、马赫盘及帽状激波。这些激波除了存在于过膨胀喷营外,在满流喷管中也存在。对现有火箭发动机喷管,如 SSME 或火神号发动机喷管,所得到的数值结果与试验照片在定性方面是一致的。对不同类型的激波现泉进行了讨论。另外,对至今还未深入了解的受限激波分离现象也给出了解释,分析了它产生的原因和条件。结果是喷管型面的形状极大地影响着气流分离的形式。根据气流分离得到的这些结果,提出了对侧向载荷产生原因的看法。     

航天器姿控发动机真空羽流场计算及其扰动分析

航天器姿态控制发动机工作期间,产生的羽流扰动力矩会影响控制精度,对流和辐射产生的热效应会影响热控系统工作,羽流沉积物会影响光学敏感器的精度。文章以某航天器的20 N姿控发动机为例,首先采用工程的MOC方法计算其真空羽流场;然后利用建立的航天器羽流三维冲击模型分析了羽流对太阳电池阵的冲击载荷;最后对发动机羽流脉冲激励下太阳电池阵的响应和姿态控制系统受到的扰动力矩进行了仿真分析。结果表明姿控发动机羽流脉冲激励将对控制精度和稳定度产生不可忽视的影响。     

固体火箭发动机喷管瞬态流场特性分析

为准确预测某型固体火箭发动机喷管的流场特性,建立了发动机燃烧室-喷管一体化三维流场模型,考虑了上游流场-燃烧室对喷管流场的影响,应用有限体积法,仿真计算出了发动机点火启动过程中喷管内激波的存在及变化趋势,仿真结果与一维等熵函数理论分析结果相一致。结果表明,在发动机点燃初期,喷管内燃气呈现亚音速流动,随着时间推移,在喷管扩张段出现了一道激波,燃气流动出现壅塞,随着燃烧室内燃气压力升高,激波逐渐移出喷管,喷管内呈现超音速顺畅流动。     

火箭推力室喷管内激波对RBCC性能影响分析

针对火箭基组合循环（RBCC）动力系统引射火箭喷管的工作状况,采用准一维方法,假设引射模态火箭推力室喷管内在某些条件下产生的激波为正激波,分析了正激波的存在条件及其对RBCC动力系统性能的影响.结果表明：引射火箭推力室室压越低或飞行器飞行马赫数越高,引射火箭喷管内越易产生正激波;火箭喷管正激波的产生对RBCC动力系统引射性能及比冲特性有一定影响.     

固体发动机喷管延伸锥展开前级间分离的热环境分析

通过FLUENT流场计算软件,采用RNGK k-ε湍流模型,针对带有延伸喷管的多级固体发动机级间热分离的热环境进行了数值分析。研究表明,延伸喷管尾流受到连接筒、前封头、延伸段的阻碍后,其流动特征变化显著,尤其在一级前封头的影响下形成回流,并在喷管内形成激波。计算得到的热环境参数,对发动机的热防护设计具有一定的参考价值。     

水环境下喷管流动分离数值研究

为了研究水环境下发动机喷管流动分离现象以及影响因素和规律,基于VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型,建立了水环境下固体火箭发动机喷流流场数值仿真模型,并进行了不同喷管扩张比和NPR(燃烧室总压与环境压强之比)下的喷流流场数值模拟。通过数值仿真分析获得了水环境下喷管内发生流动分离时推力、压力特征和流场非定常变化特征,水环境下喷管内流动分离具有强烈的非定常振荡特征,分离激波会在分离点与发动机喷管出口之间呈现推进-返回-推进周期性振荡的流动特征。同时,获得了喷管扩张比和NPR对流动分离特征的影响规律,相同水深环境下不同扩张比喷管对流动分离点位置影响较小; NPR越小,流动分离点的位置处喷管扩张比越小。     

快速升压过程喷管侧向载荷流固耦合分析

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的侧向载荷,采用三维数值仿真方法进行分析。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,结合FLUENT中UDF功能,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。计算结果发现,此大膨胀比喷管在快速升压阶段先后经历了自由激波分离和受限激波分离;分析得出了较强的侧向载荷主要由不对称的燃烧波、激波转变和喷管出口部位的激波震动3种状态产生;侧向载荷的大小也与快速升压的时间快慢有较大关系。采用流固耦合计算方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境,为更深入研究大膨胀比喷管侧向载荷提供了支撑。     

火箭发动机喷管分离流动仿真分析

采用数值方法研究在分离状态下的最大推力喷管流动状态,讨论了不同湍流模型对分离流动的影响,在此基础上详细分析了喷管流动中出现气流分离模态由自由激波（FSS）到受限激波（RSS）的变化情况。在稳态仿真基础上开展非稳态分析,并综合小波分析、结构有限元方法分析了侧向载荷影响。研究结果表明,喷管内压强脉动为低频脉动,该脉动频率范围与喷管固有频率有交叠,可为后续的喷管气流分离侧向载荷分析及验证试验提供基础。     

电推进羽流与航天器相互作用的研究现状与建议

电推进与传统的化学推进相比可以节约大量推进剂质量,被广泛用作地球同步轨道卫星南北位置保持和深空探测等任务的主推进系统。电推进器工作时产生的羽流与传统的化学推进器羽流有显著区别,电推进羽流对航天器的影响是进行卫星电推进器系统设计时需要重点关注的问题。文章讨论了电推进羽流对航天器的主要影响,介绍了国外在地面模拟试验、空间飞行验证和软件仿真技术等方面的研究现状,同时对国内开展羽流与航天器相互作用研究提出了建议。     

火箭垂直回收中发动机布局与喷流壁面效应影响研究

针对重复使用火箭垂直着陆过程的喷流流场问题开展研究,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了壁面效应和发动机布局对超声速喷流的影响。研究表明,着陆距离(L)在2.24D～11.2D(D为喷管出口的直径)的范围内,地面效应对喷管出口中心处的温度分布影响较小;在当前计算条件下,当L<2.24D时,超声速喷流撞击地面会形成强烈的激波,随着离地高度的降低,该激波位置往喉部方向移动,由于壁面效应,喷管内部形成斜激波,导致中心喷管壁面处的温度升高;中心喷管相对外侧喷管往外突出增大了壁面流动速度,导致外侧喷管出口的温度降低;研究还表明子级火箭底部端面的喷管数量增加后,会导致喷管的温度升高。研究结果将为火箭发射及回收方案选取提供参考。     

喷管对连续旋转爆轰发动机性能影响数值研究

为研究尾喷管构型对连续旋转爆轰发动机性能的影响,采用内径40 mm,外径60 mm,长度50 mm的环形燃烧室,空气为氧化剂,氢气为燃料,对安装等直喷管、收敛喷管、扩张喷管和拉瓦尔喷管的连续旋转爆轰发动机的内外流场进行数值模拟。获得了不同尾喷管条件下爆轰波的传播特性和流场结构,分析了喷管构型对发动机内外流场结构和推进性能的影响。计算结果表明,不同尾喷管条件下,燃烧室内均能形成稳定传播的爆轰波;与等直喷管相比,收敛喷管和拉瓦尔喷管对燃烧室内的爆轰波的压力和传播速度具有明显提升作用,但波头高度则明显降低,安装扩张喷管条件爆轰波压力和传播速度略微有所降低,波头高度却增加。收敛喷管和拉瓦尔喷管对发动机尾部火焰具有一定的约束作用;在给定的发动机模型下,收敛喷管对发动机的推力性能提升最为显著,其推力和比冲分别为259.4 N和120.3 s,扩张喷管则降低了发动机的推力性能。     

喉部跨音速条件下二次流互击喷嘴的雾化特性

为了研究二次流互击喷嘴的雾化效果以及对发动机推力的影响,在跨音速条件下进行了流体喉部的冷流试验。研究了发动机喷管出口处羽流雾滴的累积体积分布、索太尔平均直径SMD和液雾分布指数N。通过试验获得了不同压比和喷射方案条件下的羽流粒度数据。研究结果表明,随着压比的增加,SMD减小,雾化的均匀性提高;雾化效果最好的喷射方案为喉扩喷射,同时扼喉能力与推力效率随着流量比的增加而提高。     

带反喷管发动机地面实验数据分析

带反喷管固体火箭发动机地面实验时，在其反向喷管打开后，激波进入主喷管情况下，会给数据处理带来困难。文中介绍了根据地面实验数据分析反喷管在高空提供的反推力，为带反喷管发动机地面实验数据处理提供了简便的分析方法。     

航天器发动机羽流对敏感器热效应仿真研究

采用差分求解N-S方程与DSMC方法相结合的方法,研究了航天器单台发动机连续工作情况下真空羽流对航天器敏感器的热效应。首先通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场,然后应用DSMC方法对喷管出口外轴对称羽流场进行计算,最后将轴对称羽流场计算结果作为模拟粒子入口边界条件,在并行计算机平台上进行三维羽流场和热效应计算得到航天器单发动机连续工作情况下羽流场对敏感器的热效应。以两个敏感器为例,对仿真结果进行了分析和比较,并得出了相应结论。     

无喷管固体火箭发动机的初步实验研究

本文根据片型装药发动机对两种双基推进剂四种复合推进剂在四种药型下的试验结果,分析了在无喷管发动机内压强—时间关系、燃气流速和装药燃速沿通道的变化、特性速度及推进剂特性的影响。论述了推进剂的基础燃速对无喷管发动机工作特性的影响,侵蚀燃烧问题,装药通道内的几何喉面与流场中音速截面的关系等。对无喷管发动内设计有一定参考价值。     

固体火箭发动机喷管型面最佳化技术的研究

本文分析了喷管型面结构对固体推进剂火箭发动机性能和效率的影响。本研究使用三种分析方法,它们是:赫克力斯的Ⅰ_(SP)法(HIMET),固体性能程序(SPP)和普度大学 Jo-seph Hoffman 博士的直接寻求法。这些分析方法确定发动机中的流动和热损失,并以比冲(I_(SP))损失表示。在本分析中,分别考虑了扩散、摩擦、热、粒子滞后、侵蚀和化学不平衡等方面带来的损失。对采用抛物线、园弧线和特征线的喷管型面的发动机进行了性能比较。在固定喷管外轮廓(长和直径)不变的条件下研究了典型的低空和高空工作的发动机。这些计算结果对喷管型面设计有了有益的深入理解。本研究指出:第一,最佳起始扩散角随所采用的喷管型面和分析方法而变;第二,对于给定的喷管外轮廓,不论是抛物线型面、园弧线型面还是特征线型面,所获得的最大比冲基本上是相同的;第三,如果喷管型面不是最佳,就会出现明显的性能损失;第四,分析的Ⅰ(SP)预示方法能有效地用于固体推进剂火箭发动机的喷管型面设计;第五,可延伸出口锥能改进主喷管的性能。