高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型,建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM),空间离散采用二阶迎风TVD格式,对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算,将数值结果与试验数据进行广泛对比,验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明,火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值,随着飞行高度上升,辐射热流逐渐降低,火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势,并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

某航天器输氢管道系统结构完整性评估

为保障某航天器在服役年限内不发生事故,针对航天器上采用插入焊接技术的精密管道系统进行结构完整性评估。在考虑到系统存在整圈的环形未焊透缺陷基础上,结合工程实践,假设在焊接区域存在更危险的平面缺陷。首先,开展高压气相热充氢试验下的标准拉伸和三点弯试验得到管道系统材料"J-75"在临氢环境下应力应变曲线和断裂韧性。其次,采用有限元程序计算系统在内压、惯性载荷与离面位移作用下的应力分布,考虑到间隙配合中的不确定性,改变模型中的最大间隙多次模拟计算,发现最大应力位置基本不变,以此区域作为假想缺陷的具体萌生区域。最后,采用失效评估图（FAD）方法对存在4种缺陷模式的系统分别进行结构完整性评估。通过引入安全裕度的概念,发现系统在含有初始尺寸（0.15 mm）的4种平面缺陷时,均处于安全状态,并且安全裕度都在2倍以上;通过工程临界分析（ECA）发现随着缺陷尺寸的增大,系统中含有缺陷2（位于管道焊接区域最大应力处的轴对称平面且沿焊深方向扩展的缺陷）时最为危险,且当缺陷深度超过0.61 mm时将断裂失效;考虑到测试数据的弥散性,针对系统最危险的模式,以安全裕度为可靠性指标,将失效评估图方法与可靠性评价相结合,得到系统在含有尺寸为0.15 mm的缺陷2情况下保有足够安全裕度的可靠性下限值超过0.999 5。     

液体推进剂在轨剩余量测量方法研究进展

介绍了在轨航天器液体推进剂剩余量测量技术国内外研究进展,并展望了未来的研究方向。首先简要介绍了造成微重力条件下液体推进剂剩余量测量困难的原因;接着回顾了液体推进剂剩余量测量技术的发展脉络,将其技术发展分为技术萌芽、技术成熟和新技术探索三个阶段;然后从基本原理、误差分析、研究进展等方面综述了常用的簿记法(Book-Keeping,BK)、压力体积温度法(Pressure-Volume-Temperature,PVT)和热量激励法(Thermal Gauging Method,TGM)等液体推进剂在轨剩余量测量技术,对比分析了各种方法的优缺点;最后,展望了液体推进剂在轨剩余量测量技术的发展方向:一是利用不同测量技术在不同卫星寿命期间具有不同测量精度的特点,将多种测量技术进行结合,以提高整体测量精度;二是开发适用于卫星全寿命周期高精度测量的新方法。     

预旋系统稳态和非稳态计算对比研究

针对预旋系统由于旋转引起流场和温度场参数周期性瞬态变化的问题,分别采用滑移网格的瞬态法和固定转子相位的稳态法进行数值求解,并在稳态计算中通过改变转子相位来近似模拟非稳态问题的时空变化特性。通过稳态空间平均结果与非稳态时均结果的对比,以期为预旋系统非稳态问题的低成本求解提供方法依据。结果表明：稳态计算结果与非稳态计算结果相比,周期性波动频率一致,接受孔进口处,稳态计算的压力波动幅度小39%左右,温度波动幅度小15%左右;多个相位的稳态空间平均结果与非稳态时均结果相比,压力高0.2%,温度低0.1%;采用多个计算周期数与单个周期的非稳态计算结果差异微小。当采用喷嘴出口气流中心正对接受孔迎风面前缘的转子相位时,稳态计算结果与非稳态计算时均结果最接近。     

基于FPGA控制实现的1553 B总线通讯设计

为了满足有效载荷系统与卫星平台的复杂任务和可靠的数据通信,提 出了一种基于FPGA控制协议芯片BU-61580实现1553B总线远程终端通讯的 设计方法.取代CPU而采用VHDL硬件描述语言将整个系统的数据管理与控 制通讯集中在1片FPGA芯片内实现,有利于系统的软件重用和增加系统可 靠性.     

导管装焊精确定位柔性辅助系统的设计与开发

针对运载火箭增压输送系统中的拼焊型管路产品,以实现管路产品焊接的柔性装配为最终目标,开展了装焊精确定位柔性辅助系统的设计与开发。根据拼焊型管路的传统制造模式,焊接装配是采用专用装焊工装保证导管的空间走向和总体尺寸,因而每项导管对应一套专用装焊工装,管路结构的调整将导致原工装的返修甚至报废,造成生产成本高且严重影响导管的研制周期,该问题在研制型号中尤为突出。随着型号越来越多,专用装焊工装数量也显著增多,给工装管理也带来了极大的挑战。本文通过装焊精确定位柔性辅助系统的设计与开发,以导管特征点的坐标为控制指令实现柔性装配系统按照装配要求进行精确走位和定位,以柔性化的装配系统实现不同规格、不同空间走向的拼焊型管路产品的焊接装配。     

基于产业思维的航天发射服务研究

首先从核心驱动出发提出航天发展三阶段第一推动力,从产业要素出发分析航天产业进阶的市场、技术和产业政策三要素。而后从价值链出发研究航天产业产值分布和产业整合策略。最后分析了新兴航天发射服务公司的模式、产品和技术,为我国航天发射服务提供参考。     

一种摩擦阻尼器在整体叶盘结构的应用

介绍了一种应用于整体叶盘结构的摩擦阻尼器,即在轮缘下方加工销孔,安装阻尼销.工作时,由于离心载荷的作用,阻尼销与轮缘相互摩擦,从而消耗振动能量.这种阻尼器被应用于两台发动机的涡轮整体叶盘减振方案中,试验结果显示:其减振效率差异较大.数值模拟分析证明,这种阻尼器的减振效率和振动能量在叶-盘间的传递有关.对于叶-盘强耦合振型,这种阻尼器可以获取较高的减振效率,叶片振动应力水平下降了约70%;但对于叶-盘弱耦合振型,叶片振动应力幅值没有明显下降趋势.      

基于序列凸优化的高超声速滑翔式再入轨迹快速优化

针对具有热流、动压、过载以及多个禁飞区约束的再入轨迹优化问题,提出采用序列凸优化方法快速求解。利用归一化时间作为自变量解决终端时间自由问题,并引入辅助控制变量以减少序列优化结果中的高频振荡,在此基础上,通过线性化、离散化和非凸约束的凸化处理,将非凸非线性优化问题转化为二阶锥规划(Second Order Conic Programming,SOCP)问题,然后采用凸优化求解算法快速求解。数值优化结果与对比验证表明该方法能快速高效求解多约束条件下的再入轨迹优化问题,且计算效率和性能均优于传统的非线性规划方法。     

Coupled Lagrangian impingement spray model for doublet impinging injectors under liquid rocket engine operating conditions

To predict the effect of the liquid rocket engine combustion chamber conditions on the impingement spray, the conventional uncoupled spray model for impinging injectors is extended by considering the coupling of the jet impingement process and the ambient gas field. The new coupled model consists of the plain-orifice sub-model, the jet-jet impingement sub-model and the droplet collision sub-model. The parameters of the child droplet are determined with the jet-jet impingement sub-model using correlations about the liquid jet parameters and the chamber conditions.The overall model is benchmarked under various impingement angles, jet momentum and offcenter ratios. Agreement with the published experimental data validates the ability of the model to predict the key spray characteristics, such as the mass flux and mixture ratio distributions in quiescent air. Besides, impinging sprays under changing ambient pressure and non-uniform gas flow are investigated to explore the effect of liquid rocket engine chamber conditions. First, a transient impingement spray during engine start-up phase is simulated with prescribed pressure profile. The minimum average droplet diameter is achieved when the orifices work in cavitation state, and is about 30% smaller than the steady single phase state. Second, the effect of non-uniform gas flow produces off-center impingement and the rotated spray fan by 38°. The proposed model suggests more reasonable impingement spray characteristics than the uncoupled one and can be used as the first step in the complex simulation of coupling impingement spray and combustion in liquid rocket engines.