利用自然能的轨迹可控临近空间浮空器初步设计

文章针对现有临近空间浮空器持久区域驻留期间面临的“超热”、“超压”和抗风机动飞行对材料和能源技术的挑战,提出一种充分利用自然界热能和准零风层风场环境的新型临近空间浮空器技术方案。文章分别介绍了新型临近空间浮空器的工作原理、系统组成、功能特点和飞行操控策略;通过浮空器热建模仿真分析和参数总体设计,研究了主气囊热控参数、浮空器白天和夜间“超热”能力,以及浮空器体积规模之间的耦合关系。结果表明,通过主气囊热控参数优化设计,可使浮空器白天“超热”值在100K以上,夜间“超热”值在20K以上,并给出了20~80K“超热”范围内的新型浮空器总体参数设计结果,这些结果满足浮空器高度调节所需浮升能力变化要求。     

某系留气球整流罩热适应性设计

整流罩是系留气球重要组成部分,其内部环境受工作海拔高度、太阳辐射以及任务设备热耗等诸多因素影响。本文以某系留气球为对象,采用整流罩壁面传热和整流罩壁面传热+强迫通风两种不同的设计方案,在不同工作高度下对该系留气球整流罩的工作环境温度进行仿真分析。结果表明,采用整流罩壁面传热+强迫通风方案,送风风量为3 000 m³·h^-1可满足不同高度下整流罩内部环控温度需求,该方案在实践中已得到成功应用。     

考虑光压力和热载荷的太阳帆薄膜力学行为分析

基于冯卡门板理论描述薄膜结构大变形,耦合光压力与热载荷,构建10μm量级薄膜非线性动力学主控方程。采用伽辽金离散方法和龙格-库塔推进方法数值求解方程时域解,并引入最大李雅普诺夫指数判别薄膜混沌运动。分析表明,法向光压力远大于切向光压力并抑制薄膜动力学颤振,仅计入光压力时,太阳帆膜呈静变形特征。当计入的光辐射热载荷达到临界值后,考虑切向光压力与法向光压力的薄膜都呈现动力学混沌运动。综上,光压力抑制太阳帆薄膜颤振,热载荷导致薄膜进入混沌运动。     

30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm;在10W、70W和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

ZnO/SBA-15无机热控涂层填料及涂层性能

开展高紫外-可见-近红外反射能力热控填料的制备,研制新型低吸收比(α_S)高发射率(ε_H)无机热控涂层。以自制SBA-15和ZnO前驱体为原料通过溶剂热浸渍和高温煅烧法制备ZnO/SBA-15填料,然后与硅酸钾(K_2SiO_3)制备无机热控涂层;采用SAXD、XRD、SEM、太阳反射光谱分析填料和涂层的性能。结果显示采用硝酸锌作为前驱体、m(ZnO)∶m(SBA-15)=3∶7、950℃下烧结3 h可以得到高紫外-可见-近红外反射能力的填料;ZnO/SBA-15/K_2SiO_3无机涂层的α_S为0.09,ε_H为0.91,涂层结合力等级为1级,经过100次-196～100℃热循环实验后,涂层无脱落和开裂现象。SBA-15改性ZnO可以获得具有高紫外反射率和低α_S的热控填料,ZnO/SBA-15填料制备的无机热控涂层同样具备高紫外反射率、低α_S和高ε_H,可以满足航天器高效散热的需求,应用前景良好。     

稀薄流航天器鼻锥迎风凹腔气动力和气动热性能研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对高超声速稀薄流中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了数值研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布,分析了不同凹腔深宽比对鼻锥冷却效率以及凹腔腔体内气体参数的影响;以深宽比为1的凹腔为基准,研究了凹腔唇口钝化半径对航天器气动热与气动力的影响。数值结果表明,高超声速稀薄流中迎风凹腔能够降低鼻锥外壁面的热流密度;当凹腔深宽比达到1之后,凹腔侧壁面热流变化趋于一致,热流密度最低点的轴向位置不随深宽比改变,且凹腔底部热流很小;凹腔近底部气体均由稀薄流转化为连续流,腔内气体压力不断振荡;唇口钝化没有明显优势,虽然可以降低鼻锥峰值热流,但是会带来严重的气动力性能下降。     

RBCC发动机燃料支板热防护研究

分析了RBCC发动机在5.5Ma条件下不同工作模式时燃料支板所处的热环境,综合火箭射流以及二次燃烧对热环境的影响,设计了带有冷却通道的燃料支板主动热防护方案。研究发现燃料支板在火箭冲压工作模式下受火箭羽流以及二次燃烧双重加热的影响,热环境最为恶劣,燃料喷注所形成的液膜可以对支板中部起到保护作用,壁面温度沿气流方向整体呈"高-低-高"的分布趋势。在此种工作模式下开展了三种冷却通道方案的对比研究,结果表明通道数及单通道流量增加均可以降低受热严峻部位的表面温度,提高支板表面温度的均匀性,保障发动机长时间安全工作。采用开环冷却后的煤油组织燃烧,发动机比冲性能具有1.5%的提高。     

多维对流通量重构方法的改进

为了研究多维对流通量重构格式中不同形式主方向对激波稳定性、压力场计算方面的影响,分别采用以笛卡尔方向、密度梯度及压力梯度作为主方向进行计算,对结果分析后发现,单纯依赖物理量梯度的主方向会造成压力等值线曲折的非物理解。为了消除这种非物理现象,采用一种基于压力函数的混合方式来确定主方向。单层及展向多层高超声速圆柱绕流问题模拟分析的结果表明:混合方式所确定的主方向不仅可以消除笛卡尔坐标系确定的主方向计算带来的红玉现象,同时还可以消除单纯的密度或压力梯度作为主方向所带来的压力场"zigzag"的非物理现象;通过与结构网格结果的比较表明:网格相关格式驻点处热流的相对误差为29.2%,而混合主方向确定方法所计算驻点热流相对误差只为4%,表明此改进方法计算得到的壁面热流是合理的。     

叶顶凹槽间隙气膜冷却的传热数值研究

采用三维气热耦合数值模拟方法,分析了凹槽间隙底面受到泄漏流冲击的流动特性,对气膜冷却参数对凹槽间隙气膜冷却换热效果的影响进行了研究,探讨了吹风比、冷却孔位置、冷却孔角度对壁面换热的影响,并结合三维流固耦合计算,研究了叶顶气膜冷却方式对叶顶表面传热的影响。结果表明,冷却孔位于间隙流动冲击凹槽底面上游位置能有效降低壁面Nu数,获得较低的叶片表面平均温度,此时大吹风比效果更好;所选取的冷却方式使得E3高压涡轮第一级动叶的最大无量纲温度降低了0.156。     

微藻航空燃料的热氧化安定性与热沉

航空燃料安定性和热沉对飞机和发动机工作可靠性、飞机飞行安全及战术性能的发挥有重要作用。利用热重-差热分析联用仪研究了2种典型微藻航油的热氧化安定性和热沉,并与标准航空喷气燃料RP-3进行了对比。结果表明:混合生物油的失重终点温度和最大失重点的温度与标准航空喷气燃料RP-3相比均向高温区移动。在失重区间内,除了物理热沉还有化学热沉的贡献。在热重曲线中定义了2个无量纲参数:引发温度和燃尽指数,引发温度表征起始裂解温度,燃尽指数表征沉积特性。2个参数结合可以较好地诠释燃料的热安定性和热沉。球等鞭金藻油高碳数烷烃在提高热沉基础上导致碳沉积的形成,但小球藻油在热沉提高的基础上,并没有形成碳沉积。说明通过有效控制高碳数烷烃分配比例增加其热沉并控制其积碳在理论和技术上是可行的。