脉冲等离子体推力器宏观特性数值研究

为了揭示脉冲等离子体推力器（Pulsed plasma thruster,PPT）的宏观工作特性,以传统＂弹丸＂模型为基础,提出了一种基于电磁和气动耦合加速机理的计算模型以及延时气化效应的评估方法,并与LES-6,LES-8/9 PPT进行模型验证和实验对比。结果表明,计算所获得的PPT脉冲烧蚀质量等宏观特性与实验数据吻合较好;脉冲烧蚀质量中仅有较少一部分（LES-6约10%,LES-8/9约28%）被离子化和电磁加速排出（约31.6km/s）,其余绝大部分则是在主放电结束后以中性气体混和物低速排出（约460～680m/s）;电磁加速对PPT元冲量的贡献是主要的（LES-6约77%,LES-8/9约86%）;增强电磁加速,尤其是减少延时气化效应对PPT效率的提高是十分必要的。     

脉冲等离子体推力器烧蚀建模与仿真

为了深入地揭示平板型脉冲等离子体推力器（PPT）工作机理,通过对PPT在放电过程中的欧姆加热能量分配分析,建立了基于能量守恒原理的改进烧蚀模型,并对磁流体动力学方程中的能量方程进行了修正。结合LES-6对PPT工作过程进行了一维磁流体动力学数值仿真,获得了PPT的速度分布、放电烧蚀质量和元冲量等参数的变化过程。仿真结果表明,改进模型能正确地反映脉冲等离子体推力器工作过程,仿真得到的出口速度、元冲量与实验值吻合较好,而放电烧蚀质量则相对误差较大;当电容容量变化时,元冲量随放电能量增大呈近似的线性增长关系,放电烧蚀质量随放电能量的增大单调增加且呈非线性关系。     

针栓变推力固体火箭发动机动态响应特性研究

为了解针栓式固体发动机的动态响应特性,基于可变等效喉部面积的调控内弹道模型,研究了针栓型面及其调节过程对发动机动态响应的影响。结果表明:针栓式变推力固体发动机响应时间以及推力响应的动态特性与针栓移动速度、针栓型面以及推进剂压力指数密切相关。发动机响应时间由针栓移动时间和针栓移动造成的压力延迟时间组成;随针栓移动速度增大,针栓移动过程与压力延迟过程相对比重发生变化,使得响应时间先快速缩短后趋向于定值,由32ms缩短至11.6ms,而推力过冲逐渐增大,但在针栓打开过程中响应时间更短,推力过冲更大,并且计算表明压力和等效喉部面积的相对变化率决定了推力过冲;随着正压力指数的增大,压力调节范围增大,推力过冲和响应时间均增加,而负压力指数的推进剂明显缩短响应时间,抑制推力过冲;凸型面针栓能够缩短响应时间同时降低推力过冲,可根据等效喉部面积相对变化率获得最佳型面曲率,使得响应时间和推力过冲最小。     

液体燃料在毛细管出口扩散火焰燃烧特性

为了解微尺度扩散火焰燃烧特性,选用液体燃料,进行燃烧实验,并利用理论模型对层流火焰高度进行了预估。结果表明:毛细管层流扩散火焰尺寸随燃料流量的增加而增大,水平方向当流量大于50μL/min时,由于燃料蒸发不完全,会有液滴喷出,火焰尺寸增长速度变小;竖直方向受浮力影响,火焰高度被拉长,远大于水平方向。火焰尺寸越大,振荡越剧烈,表现为振荡周期随流量的增加而减小,且竖直方向小于水平方向。燃料含碳量影响火焰特性,含碳量越多,火焰尺寸越大,火焰越明亮,振荡越剧烈。流量较大时,含碳量较多的煤油会向管口周围喷射燃料,形成剧烈振荡的不稳定火焰。竖直方向火焰高度与管口处燃料蒸汽雷诺数成正比,Roper模型预估结果与实验结果相近,可用于计算液体烃类燃料在竖直方向的层流扩散火焰高度。      

10微克级液体脉冲等离子体推力器供给系统研究

用水作为脉冲等离子体推力器(PPT)的推进剂是改进其性能的新思路,可以有效提高比冲、防止滞后烧蚀以及降低污染。但微量推进剂供给系统是实现液体脉冲等离子体推力器(LP-PPT)的前提条件,也是LP-PPT的难点。为此,先介绍了现有的LP-PPT供给方式,并分析各种供给方式的优缺点;以有机材料软木为渗透介质,研制了多段渗透式水推进剂供给系统;在理论分析供给原理的基础上,设计了两套供给量测量方案,并开展了相应的测量实验;将供给系统安装于PPT样机本体,开展了性能测试实验。结果表明三段结构供给系统供给量为21.76μg/s,满足LP-PPT样机的供给量需求。最终获得LP-PPT实验样机元冲量82.998μN·s,比冲194.6s,效率2.47%。     

热水火箭发动机非稳态工作过程数值模拟

为了更好地了解热水火箭发动机的工作特性,建立了热水火箭发动机内流场的数值计算模型,对发动机非稳态的工作过程进行模拟,并与实验数据对比进行验证。通过对发动机工作过程的研究,发现在发动机工作过程中,喷管之前相变较缓慢,而在喷管中相变比较剧烈,从而使得喷管部分的气体体积分数梯度较大,越靠近出口,气体体积分数越大,出口气体体积分数高达90%以上,其温度越低。发动机内部压力首先急剧降到初始温度对应的饱和压强,然后缓慢降低。把热水火箭发动机的工作过程分为三个阶段:初始段、中间段和拖尾段。发动机的总冲主要集中在中间段,约占总比冲的70%以上。     

温度及压强对火箭发动机喷管阻尼的影响研究

为探索燃气温度与燃烧室工作压强对固体火箭发动机喷管阻尼特性的影响,同时为了对冷流试验的改进及不稳定燃烧研究提供相应的理论指导,基于Buffum冷流试验发动机的二维模型,利用脉冲衰减法,开展喷管阻尼特性数值仿真计算。结果分析表明燃气温度对喷管阻尼有很大影响,而燃烧室工作压强对其几乎没有影响。燃气温度越高,切断脉冲后,压力振荡衰减越快,即喷管阻尼衰减系数越大;不同工作压强下,切断脉冲后,压力振荡衰减速度几乎不变,即发动机喷管阻尼衰减常数几乎不变。     

松弛谱表征NEPE推进剂的老化

为研究NEPE推进剂的老化情况,探讨了运用连续松弛谱表征NEPE推进剂老化进程的方法.分别对在80℃,75℃,70℃,65℃下加速老化的NEPE推进剂进行动态力学分析试验,数据表明,NEPE推进剂的连续松弛谱可以直观全面表征推进剂高分子多层结构的粘弹性特性,且同一加速老化温度下随老化时间增加动态粘弹性连续松弛谱频率分布范围逐步收窄,结合推进剂老化机理分析,该变化趋势可以表征推进剂老化进程.     

脉冲等离子体推力器点火可靠性试验研究

为了得到PPT点火可靠性表征参量的内在联系及放电能量对其影响规律,开展了传统PTFE与掺碳PTFE两种工质的可靠性试验研究,通过记录点火故障率和分析放电延迟时间,得到了不同工质PPT的点火可靠性,为PPT点火可靠性分析提供了新的研究思路。研究结果表明:在不同放电电压下,PTFE工质PPT放电延迟时间随点火次数增加的变化规律明显不同。放电电压为1kV时,放电延迟时间在1μs～15μs内变化,在初始阶段时明显增加,然后在波动中上升,并伴随有点火故障发生;放电电压为1250V和1500V时,放电延迟时间在1μs～5μs之内波动,且没有点火故障发生。两种工质的放电延迟时间均随点火故障率增加呈非线性规律变化,掺碳PTFE的放电延迟阈值与放电电压之间呈指数函数规律变化。     

高马赫数飞行条件下超燃冲压发动机燃烧组织方案数值模拟

针对高马赫数飞行条件下(Ma=8,其中燃烧室内流马赫数为3.88)超燃冲压发动机燃烧组织方案的优化问题,采用三维可压缩雷诺平均(RANS)数值模拟方法对采用不同燃料喷射角度和凹腔后倾角的燃烧方案进行了数值模拟研究。结果表明：高马赫数下燃烧主要集中在凹腔和燃烧室近壁区,随着燃料喷射角度的增大,燃烧反应更加剧烈;增大燃料喷射角度和减小凹腔后倾角能提高混合效率,从而提高燃烧效率,燃烧也更充分,但是燃烧引起的总压损失也会相应地提高;高马赫数条件下发动机内流阻力很大,大约是发动机净推力的7～8倍,而增大喷射角度和减小凹腔后倾角有利于提高发动机的推力性能,其中采用135°的逆向燃料喷入方案获得的正推力最大,此时燃烧位置相对靠前,有利于燃烧室设计尺寸的小型化。