N2O单组元微推力器高空模拟实验研究

在真空舱中进行了N2O单组元两种尺寸的微推力器的高空模拟试验研究,分析了微推力器设计参数对比冲等性能的影响。结果表明,两种尺寸微推力器的最大比冲分别为1.608 N.s/g和1.639 N.s/g,热损失、床载和床长对微推力器性能影响明显,存在最佳床载值、床载和床长的匹配。     

N2O微推力器结构改进的仿真与试验分析

主要考虑影响比冲的温度因素,在原有N₂O微推力器结构上提出了改进方案,对改进前后N₂O微推力器推力室进行了三维流动传热耦合仿真,并采用改进后N₂O微推力器开展催化分解试验研究.对比分析后发现减少推力室向外的热量传递能维持较高的分解气体温度,从而利于提升N₂O微推力器比冲,并得到了影响微推力器比冲的结构参数,研究工作为N₂O微推力器的优化设计提供了有益参考.      

内加热式N2O单组元推力器预热过程仿真与试验

为了提高N₂O单组元推力器预热效果,对推力器结构做出改进,引入内加热的预热模式.在模拟真空环境下开展了内加热式推力器预热试验,以10W功率加热5800s,使催化剂温度达到260℃(533K),证明了内加热模式的可行性及优越性.开展了内加热式N₂O单组元推力器系统的三维建模,并利用有限元软件对推力器预热过程进行了分析,得到了推力器结构温度场随时间的变化情况.数值分析结果与试验数据吻合良好,验证了所用仿真模型的准确性.进一步对简化结构后的内加热式推力器在模拟太空环境下分别施加10,5,3W加热功率时的预热过程开展了数值仿真研究,结果表明:10W和5W加热功率能使催化剂在3600s内达到工作温度250℃,可为N₂O单组元推力器的实际应用提供参考.      

脉冲等离子体推力器的性能分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的性能受多方面因素的影响,包括放电参数以及推力器本体结构等。通过对脉冲等离子体推力器的工作原理和物理学模型的分析,研究了PPT的效率、比冲、推力、元冲量、推功比等性能参数与电极结构、电气参数的关系,并设计了实验,对效率、比冲、元冲量等与放电能量、电极间距的关系进行了验证。结果表明,效率、比冲、元冲量均随放电能量的提高而增大,元冲量在电极间距为50 mm时大于间距为30 mm、40 mm时的值。根据实验结果,提出了设计高性能PPT的一些优化条件,对PPT的设计有参考意义。     

一种绿色无毒单组元微推力器性能试验研究

为了获得研制的一种基于绿色无毒ADN基推进剂的单组元0.2N微推力器性能,对其进行了试验研究。通过真空加热试验,获得微推力器的温启动加热性能;通过高空模拟热试车试验,获得微推力器稳态和脉冲工况下,微推力器的推力、温度分布等参数,考察微推力器的启动性能、稳态、脉冲工作稳定性,研究微推力器工作过程中推力室、前室和电磁阀温度变化规律,通过1000s长稳态点火试验,验证了微推力器长稳态工作的稳定性。结果表明,3W加热功率实现了微推力器200℃的温启动要求,微推力器完成了系列稳态、脉冲考核程序,工作过程中微推力器推力稳定,启动响应快,推力室温度最高达到1016℃。试验证明了研制的0.2N微推力器在完成结构微型化的同时,实现了微流量下推力器稳定工作,微推力器额定真空比冲大于200s,性能优良,200mN推力量级微推力器的成功研制,将进一步拓展ADN绿色无毒推进在微推进领域的应用。     

微阴极电弧推力器的设计与试验

微阴极电弧推力器具有体积小、重量轻、功耗低、比冲高等优点,是微纳卫星空间推进的理想选择。为了研究其关键特性以及基本性能,设计了一套环形微阴极电弧推力器样机,包括推力器本体和功率处理单元。高速摄影对推力器点火的观测验证了磁场存在时阴极斑点的旋转,并获得了阴极斑点旋转速度与磁场强度的关系。通过飞行时间法、打靶法分别对离子速度、元冲量进行了测量,测量结果表明:推力器出口离子的轴向平均速度在15~30km/s,没有磁场时,元冲量为0.132μN·s,磁场强度为0.0457T时,达到0.262μN·s,推力器平均推力大小在μN量级。通过研究得到:微阴极电弧推力器烧蚀均匀,性能易于调节,适用于微纳卫星。     

MEMS固体微推力器阵列驱动控制系统设计与试验

为了实现MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)固体微推力器阵列准确可靠点火,阵列单元的点火驱动控制显得尤为重要。设计了驱动控制系统,由电源模块、驱动模块、10×10规模固体微推力器阵列模块、控制及通信模块组成,并分别对各个模块的设计进行了介绍。通过把各个模块进行一体化,设计了整机结构,并制备了原理样机。最后对原理样机进行了电爆试验、点火试验以及冲量测试试验,试验表明所设计的驱动控制系统功能完备,能够对阵列单元准确点火以及多单元同时点火,具有很高的可靠性,点火成功率100%。     

离子液体电喷微推力器系统设计及性能初步研究

为了研究发射电压和流量对离子液体电喷微推力器性能的影响,设计了一种主动供给型离子液体电喷微推力器,建立了推进剂供给系统、真空系统和飞行时间测试系统,首先对推进剂供给系统进行了流量标定,使用飞行时间法在不同流量和不同发射电压条件下对推力器进行测试,根据飞行时间曲线得出推力器的基本性能。试验证明推力器能够在真空环境中实现正负模式交替发射,得到了推进剂供应系统的流量变化范围和推力器性能随发射电压和流量的变化规律。结果表明该系统推进剂流量供应为100nL/s～500nL/s。发射电流均随发射电压和流量增加而增加,发射电流受发射电压的影响更加显著。推力器推力受发射电压影响较大而比冲受流量影响较大。在实验条件下推力器的推力为112μN～183μN,比冲为250s～315s,效率为77%～90%,表明推力器处于胶体发射模式。     

固体微推力器设计与数值分析

设计了两种基于微光机电技术的固体微推力器结构,其中一种结构具有不连续的非正常拉瓦尔喷管。采用数值计算方法对不同的设计进行了内弹道、燃气流动过程和热损失的数值分析。结果表明:不连续的非正常拉瓦尔喷管同样能够将推进剂燃气加速到超声速,其比冲性能与正常拉瓦尔喷管相当;微光机电技术常用的硅材料会造成推力器比冲性能较大量级的下降,而绝热性能良好的玻璃或陶瓷材料可以有效提高微推力器的比冲性能。     

高空模拟试验中真空度与次流作用力校准方法的发展演变

真空度与次流作用力系数测定是发动机高空推力确定的重要内容,其校准方法仍在不断发展与完善。介绍了我国真空度与次流作用力校准方法的发展过程,依据作用力系数校准时发动机是否工作和校准结果适用范围,提出了作用力系数校准方法研究的三个发展阶段,及其对应的三种校准方法——点校法、静校法和动校法。探讨了作用力系数测定方法的校准过程及其特点,可供发动机高空台试验和作用力校准研究参考与借鉴。     

N2O单组元推进器预热过程的建模

为了解决N2O单组元推进器存在的预热能量消耗过大，启动时间过长的问题．在实验基础上建立了推进器预热过程的数学模型。模型的计算结果表明，推进器外壳吸收的热量和通过外壳表面散失的热量各占预热总能量的66％和31％，是导致预热能耗过大的关键所在。通过改变模型参数，对不同条件下的预热结果进行比较，讨论了利用增大加热功率、缩小推进器尺寸和改良加热方式来减少预热能量的几种可行方案。     

N2O单组元微推进系统及其喷管流场的初步研究

针对利用N2O单组元催化分解产生热气、用于精确控制飞行器姿态的微推进系统,提出了初步的系统方案和主要设计参数.通过数值仿真,对设计推力为1N的微推进器喷管在高空工况的内流场和真空羽流场进行了研究.计算得到喷管的推力为1.041N,比冲为1922.7N·s/kg,从而验证了喷管相关设计参数的合理性.理论分析为后续的地面试验件的设计加工及其热试车提供了有益的参考.     

以N2O为工质的汽蚀文氏管流场仿真

为得到N₂O在汽蚀文氏管中的汽蚀流场分布,以实际气体状态方程和完全汽穴模型为基础,求解两相混合物流动的控制方程组.针对N₂O的特点,对三种不同工况下文氏管的汽蚀流场分别考虑汽化热和不考虑汽化热进行了仿真,并对两种计算结果进行了对比分析.考虑汽化热计算得到的汽蚀区比不考虑汽化热计算得到的要小,而且汽蚀区及周边温度有明显的变化,计算结果更加真实合理,说明了考虑汽化热计算的必要性和正确性,对汽蚀文氏管的设计有一定的指导作用.      

N2O单组元推力器预热过程有限元分析

以正交试验设计理论为指导,应用有限元分析软件针对采用N₂O推进剂的单组元微推力器的在真空环境下的预热过程开展了分析,计算结果表明加热功率及推力器外表面辐射率的大小对预热效果影响明显.所开展的微推力器壳体地面预热试验的试验结果与仿真计算结果吻合良好,验证了采用仿真方法来评估预热过程的可行性.为进一步的结构及试验设计提供了借鉴.      

双燃烧室冲压发动机直连式实验与数值仿真

通过直连式实验和数值仿真,对双燃烧室冲压发动机的流场结构和性能进行了研究.数值仿真采用了半全局多步化学反应机理,计算的压力分布和实验结果基本一致,计算结果表明:中心高温富油燃气与边区空气在混合层内快速反应,热力喉道出现在约0.9m处,出口处的燃烧效率达到了较高水平.提出了结合直连式实验和数值计算的性能估算方法,结果表明:双燃烧室发动机在马赫数为4,高度为17km状态时具有较高的性能,当燃油当量比为0.9时,发动机内推力为8.3kN,内推力比冲为12.29kN·s/kg,更高的燃油当量比将导致超燃进气道不起动.      

N2O混合火箭发动机的催化点火研究

利用N2O催化分解原理,设计了一个用于启动N2O混合火箭发动机的催化点火器。试验表明,在催化剂被加热到400~600℃左右后,该点火器可以成功启动N2O/有机玻璃(PMMA)混合火箭发动机。在切断氧化剂供给,节流关闭发动机后,可以通过再次加热催化室重新实现发动机的启动,在节流时间较短的情况下也可以直接打开氧化剂阀门,利用催化室余热多次启动发动机。     

N2O/HTPB固液火箭发动机喷管两相流计算

利用二维轴对称N-S方程对选用氧化亚氮/丁羟基燃料推进剂的固液混合火箭发动机的喷管两相流进行了计算.计算采用MacCormack时间推进预报校正二步格式,采用了Baldwin-Lomax代数湍流模型和两相平衡流模型.计算了三种氧燃比下4个不同喷管的喷管流场参数,并计算了喷管性能,通过比较两相流和气相流的计算结果,分析了不同氧燃比和喷管形状对喷管性能的影响,认为固液火箭发动机的性能主要受氧燃比的影响,为固液混合火箭发动机的设计提供了依据.