高能液体推进剂研究现状和应用前景

高能液体推进剂的发展有四个方面：金属化凝胶推进剂、高密度吸热型碳氢燃料推进剂、纳米材料液体推进剂、添加含能材料的液体推进剂。本文围绕高能液体推进剂的发展方向,综合论述了国内外的研究现状和应用前景分析,并提出了我国技术发展的初步思路。     

航天用传热强化工质导热系数和粘度的实验研究

通过在航天器热控系统用的某型液体传热工质中添加铜纳米粒子，研制一种新型航天用传热冷却工质-纳米流体。分别运用瞬态热线法和NXE-1型粘度计测定了不同纳米粒子体积份额配比的纳米流体的导热系数和粘度，分析了纳米粒子体积份额、温度等因素对纳米流体导热系数和粘度的影响，实验结果表明，在液体中添加纳米粒子，显著增加了液体的导热系数和传热性能。     

主动式活塞凝胶流量标准装置的建立

凝胶推进剂是一种非牛顿粘弹性流体,具有粘度高、压力触变性等特点,在发动机实际试车中采用了科氏力质量流量计对凝胶推进剂在实际管路中的流量进行测量。西安航天计量测试研究所结合凝胶推进剂本身的压力触变特性,对凝胶流量计的校准进行了深入地研究。基于主动式活塞液体流量标准装置的结构,通过增设加压/泄压装置,加装在线密度计,设计了一套针对火箭发动机凝胶流量计的标准装置。该装置可以充分模拟凝胶流量计的实际使用工况,实现凝胶流量计的实流模拟校准,进而提高了瞬态流量的测量准确度。本套凝胶流量标准装置具有流量稳定、重复性好及测量范围大等特点,其质量流量测量范围为19.44~3 611 g/s,完全满足我国航天发动机在实际热试车和高空模拟试车中对凝胶推进剂质量流量测量的要求。     

飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法

采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。     

基于有限元法的平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数预测方法

提出了一种采用有限元法计算平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的方法.首先研究了材料的细观结构,根据材料显微照片建立了带基体碳纤维束复合材料的单胞模型,采用基体中孔隙分布随机生成的单胞模型,计算了孔隙率对基体等效导热系数的影响,通过施加3组边界条件计算出带基体碳纤维束和复合材料的等效导热系数.最后应用提出的方法计算分析了碳纤维体积分数和孔隙率对复合材料等效导热系数的影响规律.结果显示:复合材料等效导热系数随碳纤维体积分数增大而线性下降,碳纤维体积分数从54%增加到78%的过程中,复合材料y轴方向的等效导热系数下降了12.8%,x与z轴方向的等效导热系数同时下降了8.6%;复合材料等效导热系数随孔隙率增大呈加速下降趋势,孔隙率从0增加到30%的过程中,材料的x与z轴方向的等效导热系数下降了22.91%,y轴方向的等效导热系数下降了34.66%.     

功率器件稳态温度预测的非稳态测试及精度分析

 结合功率器件非稳态导热的温度变化规律,采用非稳态的测试方法,对功率器件在不同条件下得到的时间常数及稳态温度的预测精度进行了测试和分析;并以此为依据,提出了一种综合利用功率器件升温及降温曲线,从而有效降低功率器件测试温升幅度的方法。实验及分析结果表明,在给定5%的误差范围内,单独采用温升测试数据对稳态温度进行预测时,温升测试幅度需达到总温升的70%左右。而综合利用升温及降温阶段的测试数据时,温升幅度可以降低至40%左右,对应的温升测试时间也缩短为前者的1/2。从而可以有效提高功率器件的热测试效率,并尽可能降低测试对器件造成的损害。     

有机凝胶燃料液滴燃烧过程相分离现象

要掌握凝胶推进剂在燃烧室内燃烧特性,必须首先认识清楚单个凝胶推进剂液滴的燃烧机理。为了揭示凝胶燃料液滴特殊的燃烧机制,在考虑相分离阶段液滴内部温度和浓度梯度变化的基础上,完善并发展了一种新的数学模型来描述凝胶燃料液滴的相分离过程,并且用之研究了凝胶燃料单液滴蒸发/燃烧过程中的相分离特性。研究结果表明:相分离阶段,液滴的半径按d2定律收缩,与实验结果吻合;液滴点火后,火焰由初始位置向液滴外围扩展,火焰温度不断上升,并且逐渐趋于稳定;相分离前期,在液滴内部,特别是表面附近的区域,质量的输运较热量输运容易,而相分离后期则呈现相反趋势,这就导致在相应的区域相分离前期比后期有更大的温度梯度,而相分离后期比前期有更大燃料浓度梯度。     

基于壁面滑移修正的凝胶推进剂流变本构方程

为了调研壁面滑移现象对凝胶推进剂管道流动的影响,对凝胶推进剂及3种模拟液在直圆管中的流动进行了研究。对直圆管流动实验采集的流动数据进行壁面滑移修正,得到了壁面滑移速度公式。构建了考虑壁面滑移修正的幂律本构方程,计算出考虑滑移速度的沿程阻力系数和广义雷诺数及二者的关系。采用PIV实验并结合数值仿真,得到管道输送过程中的真实内流场速度分布以及壁面有滑移和无滑移的速度剖面图。研究表明:经过壁面滑移修正可见推进剂及模拟液幂律本构方程是唯一的;通过沿程阻力系数的计算和管道内流场PIV实验两方面验证了所用修正方法和所建流变本构方程的正确性和适用性。      

环路热管蒸发器毛细芯传热流动特性的一维分析

文章通过对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的两种蒸发状态——表面蒸发状态、汽膜蒸发状态的分析，对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的传热流动特性进行了一维数值计算，理论计算表明：在毛细芯正常工作状态下，液体在毛细芯中的蒸发属于表面蒸发，只有在进口液体存在过冷度时，汽膜蒸发才有可能存在。另外，文章还对毛细芯的壁厚、毛细芯的导热系数、进口液体的过冷度等因素对毛细芯传热流动特性的影响进行了讨论。     

火星着陆发动机气凝胶材料热防护装置设计

大推力着陆发动机高温热防护技术对火星着陆任务安全至关重要。基于多级热辐射反射结构的常规发动机高温隔热屏在火星大气环境中使用时,因内部气体换热导致隔热性能显著衰减。为解决这一问题研发了一种基于气凝胶隔热材料的新型发动机热防护装置。根据火星探测工程任务服役环境防隔热需求,建立了考虑低压气氛与高温热流边界影响的瞬态传热模型,开展了新型隔热系统的外形锥度、隔热层厚度等关键结构参数的优化设计,通过三维瞬态仿真分析及与发动机联合试车地面试验验证了设计有效性。气凝胶热防护装置成功应用于天问一号火星着陆巡视器,实现了对着陆发动机1 500℃超高温的有效屏蔽。对在轨遥测数据进行反演分析,提出了基于气凝胶材料的高温隔热设计的优化改进方向。