月球探测器着陆过程羽流热效应数值模拟研究

考虑到月球探测器着陆过程变推力发动机工作可能引发羽流热效应,通过差分求解N S方程与直接模拟蒙特卡洛(DSMC)耦合的方法,针对探测器变推力发动机羽流的连续流区与稀薄流区进行了数值模拟,获得了着陆过程不同状态探测器表面的羽流气动热流密度分布,分析了探测器在不同高度及坡度受到的羽流热效应,研究了探测器因落月惯性与发动机延时拖尾等特殊工况羽流气动热的影响程度。数值模拟结果表明,探测器受到的羽流气动热影响总体随着发动机出口与月面间距离减小而急剧增强,随着距离减小至0.434 m,热流密度最大值为429 kW/m 2 ,而且月面坡度对羽流热效应有减弱作用。研究结果可为探测器关机策略的制定提供支撑,为探测器关键部位的热防护提供输入,为探测器整体的设计优化提供服务。     

气氧/甲烷与气氢/气氧喷注器燃烧特性对比研究

为了获得气氧/甲烷与气氢/气氧两种推进剂组合燃烧特性的异同,将氢/氧气-气啧注器的设计经验用于气氧/甲烷气-气喷注器设计,在同一燃烧室中针对气氧/甲烷与气氢/气氧同轴剪切喷注器燃烧特性开展了数值仿真与试验研究.结果表明:在喷注器设计参数相似的情况下,气氧/甲烷喷注器尺寸与气氢/气氧喷注器尺寸相当;在相同的燃烧室设计压力、结构尺寸,以及两种推进剂组合均完全燃烧的情况下,要产生相同的推力,气氧/甲烷(混合比3.5)推进剂流量约为氢/氧(混合比6.0)推进剂流量的1.27倍,气氧/甲烷燃烧所需燃烧室特征长度约为氢/氧燃烧室特征长度的1.48倍,气氧/甲烷燃烧室壁面热载约为氢/氧燃烧室壁面热载的一半.     

高焓非平衡气动热环境的试验模拟及影响

在电弧风洞中开展材料特性考核试验时,一般根据部分相似模拟理论,通过模拟飞行条件的总焓和表面压力模拟气动热环境.分析了部分相似模拟的适用条件,并通过数值求解二维轴对称热化学非平衡粘性激波层方程,计算了两种不同尺度球头模型的流场特性,分析了试验状态对飞行条件热环境的模拟程度和对材料性能评价的影响.研究表明,对于热化学非平衡流场,特别是对于表面催化系数较低的热防护材料,采用部分相似模拟理论开展试验,气动热环境模拟程度下降,并且由于热焓比例偏小,对高温耐烧蚀材料的考核程度偏低.     

并联式固液上面级动力系统研究

探索了固液火箭发动机作为上面级动力系统的性能特点;采用气瓶、贮箱和燃烧室并联布局的结构,有效减少了固液火箭发动机的长细比;建立了固液火箭发动机系统设计的数学模型,采用多岛遗传算法,开展了并联式固液火箭发动机总体方案的设计优化;优化结果与某固体火箭发动机上面级的比较说明,固液火箭发动机在上面级动力系统中具有较大的应用潜力.     

固液动力探空火箭箭载数据采集系统设计

针对固液动力探空火箭在进行测试、飞行试验时,需要实时测量并记录推力、燃料供给速率以及吹除系统工况信息的问题,设计并工程实现了对箭载重要设备输出信号进行监控和采集记录的数据采集系统.以STM32F103RB微控制器为核心,完成了数据采集、存储、传输等电路的设计,并在Real View MDK集成开发环境下,运用C语言完成了控制、测试程序的编写.最后,通过Real View ULINKR仿真器实现了软硬件的联合测试,验证了系统的供电控制、采样频率、工况记录等功能都满足设计要求,完成了对箭载重要设备监控和采集记录的任务.只需修改微控制器内的操控程序,就可将此数据采集系统应用于不同型号的固液动力探空火箭.      

燃烧室结构对固液火箭发动机燃速和性能的影响

对不同燃烧室结构固液火箭发动机进行了二维轴对称一体化数值计算,计算结果表明:燃速随前燃室的增长而增大,增幅越来越小,特征速度和真空比冲随前燃室的增长先增大后趋于平稳.后燃室的长度对燃速没有影响,特征速度和真空比冲随后燃室的增长而增大.相同氧化剂质量流率下,药柱长径比不影响燃速沿轴向分布,平均燃速随药柱长径比的增大而增大,增幅越来越小,最终趋于平稳,特征速度随药柱长径比的增大先增大再减小,在长径比为10.0附近达到最大值.相同理论氧燃比下,燃速随长径比的增大而增大,但不影响燃速的分布趋势;燃烧效率随着长径比的增大先减小再增大;实际氧燃比随长径比的增大而逐渐减小,且变化趋势逐渐缓慢.      

基于正交设计的气-气喷嘴数值模拟

通过应用正交表安排喷嘴的主要参数以进行设计,并对以气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴进行数值模拟.选择燃烧位置为评价喷嘴性能的参数,研究单喷嘴质量流量、氧喷嘴压降、速度比和氧喷嘴出口角度对喷嘴的燃烧位置的影响.通过对数值模拟的结果的极差和方差分析表明:增大流量使推进剂的燃烧位置远离喷注面,流量是对燃烧位置影响程度最大参数;提高速度比使燃烧位置与喷注面距离缩短,而氧压降和氧喷嘴出口角度变化对燃烧位置的影响较小.      

亚轨道飞行器的固液火箭发动机的高维多目标设计优化

为完成应用在亚轨道飞行器上的固液火箭发动机系统设计优化,且考虑到系统设计优化问题的复杂性以及采用单目标优化难以获得全局最优解,建立了固液火箭发动机系统设计的4目标设计优化模型,采用非支配排序遗传算法获得超空间Pareto 解集。利用基于变偏好区间的超径向可视化技术对超空间Pareto解集进行直观地分析,提高最优解选择的效率。最终获得了全局最优的固液火箭发动机系统设计方案,验证了建立的优化模型的准确性和相比于单目标优化的优势,论证了固液火箭发动机应用在亚轨道飞行器上切实可行以及变偏好区间超径向可视化技术处理超空间Pareto解集的高效性。     

氢氧发动机模型真空羽流场试验和仿真研究

研制了一个用于模拟中国长征火箭二级的60 N推力氢氧发动机的缩比模型,并在北京航空航天大学真空羽流效应实验系统进行了试验。使用皮托管阵列测量了羽流压力场,结果显示当距发动机喷管出口的距离从140 mm增加到600 mm时,羽流场的最大压力从12 400 Pa降到了400 Pa。为验证CFD-DSMC混合的数值仿真方法,将试验结果与仿真结果进行了对比分析,二者一致性非常好。对比结果显示数值仿真方法在羽流效应分析方面的强大功能。研究获得了模型发动机羽流场的压力分布特性,可用于原型发动机的羽流效应分析。     

用于快速仿真优化的改进差分进化算法及其应用

提出一种改进的差分进化算法,采用一种“位变”方法计算收缩因子,该方法首先根 据适应值对种群排序,然后根据各个体的排列位置确定收缩因子;采用正态分布函数对算法 参数进行随机扰动来维持种群的多样性;该算法还提出一种新的变异算子,并将其与基本的 差分变异算子结合使用以提高算法的寻优精度。经过对多个Benchmark函数的测试、分析和 比较,结果表明该算法具有较高的收敛精度和较快的收敛速度。最后将该算法用于火箭发动 机涡轮气动优化,以较小的计算成本将涡轮气动效率提高了2.5％。应用结果表明该算法 适用于快速仿真优化问题,能有效地节约计算成本。