超声速气流中液体横向射流空间振荡分布建模

针对超声速气流中液体横向射流的空间振荡分布特性开展试验研究,建立射流/喷雾在纵向和三维空间内的振荡分布预测模型。试验在Ma2.1下吹式风洞中进行,采用脉冲激光背景成像方法和基于PIV原理的倾斜成像方法分别捕捉纵向和不同横截面上的喷雾瞬态分布结构,涉及的研究参数及其变化范围包括:超声速来流总压（642~1010kPa）、液体喷孔直径（0.48~2.07mm）、距离喷孔的流向距离（10~125mm）以及液气动量比（0.11~10）。通过研究,提出并定义一种用于定量描述射流/喷雾空间振荡分布的无量纲参数——喷雾分数（γ）,基于喷雾分数开展了纵向喷雾振荡分布研究,建立了纵向边界带模型,并开展了模型准确性验证。研究并发现了横截面上喷雾振荡分布呈"Ω"型,提出spray body和spray foot的分区概念,构造egg-shape曲线对spray body区域的喷雾分数等值线进行拟合,建立了egg-shape曲线方程中6个关键系数的系数模型,进而建立了超声速气流中液体横向射流空间振荡分布预测模型。     

一种新型卫星携气瓶推力器喷气时长计算方法

卫星自主编队保持通常采用开环控制模式,需要星载计算机(AOCC)根据推进系统的工作状态实时计算喷气时长。由于AOCC计算能力有限,在携气瓶推力器仿真测试过程中采用的速度增量关机方式不适用于在轨喷气时长的计算。为减小AOCC运算量,提高控制精度,开展了携气瓶推力器的动力学建模仿真,进行了寿命期间的性能分析。针对该时变推力模型,设计了AOCC喷气时长计算方法。通过推力的状态传递和推力预测,构造了以喷气时长为变量的代数方程,并将该方法应用到一组多次喷气情况下的喷气时长计算。仿真结果显示:与以往基于单点测量的推力器喷气时长的计算方法相比,采用该方法计算的喷气时长更接近理论值,能够有效提高卫星自主编队保持的控制精度。     

状态方程对煤油液滴高压蒸发计算的影响

分别基于RK、SRK和PR等不同真实流体状态方程(EoS)建立了包含亚临界和超临界两种不同机制的瞬态液滴高压蒸发模型。针对我国新一代高压补燃液氧/煤油发动机,对煤油液滴在高压N 2 环境下的蒸发过程进行数值研究,重点分析了不同状态方程对N 2 -C 12 H 26 二元系统高压气液相平衡,及进一步对煤油液滴高压蒸发计算的影响。结果表明：对液滴蒸发速率影响最大的参数是液滴表面蒸气质量分数,而对该参数影响最大的则是所选取的状态方程。基于SRK和PR EoSs的高压气液相平衡及液滴高压蒸发计算结果均与试验数据符合较好,可正确描述液滴高压蒸发特性;而基于RK EoS的相平衡计算结果显著高估液滴表面蒸气质量分数和环境气体溶解度,并低估临界混合温度和偏摩尔相变热,进而在亚临界蒸发状态下高估蒸发速率,在超临界蒸发状态下低估蒸发速率。另外,基于RK EoS的计算中液滴发生跨临界转变所需的环境温度显著低于基于SRK和PR EoSs的。     

双级轴向旋流杯气量比对雾化性能影响的试验

为探索小状态下改善雾化性能的途径,从调节旋流杯气量分配的角度出发,对不同一、二级气量比的双级轴向旋流杯开展了试验研究,获得了气量比对液滴平均直径、液滴尺寸分布指数以及喷雾锥角的影响规律。试验结果表明:气量比的增大不仅降低液滴平均直径,而且使得旋流杯在较宽的供油压差范围内都具有良好的雾化品质,可实现小状态下雾化性能的改善。旋流杯喷雾锥角随气量比的增大而增大,随供油压差的增大而增大并逐渐趋于稳定。旋流杯总气量恒定时,气量比接近1时的综合雾化性能最佳。      

30cm离子推力器三栅极组件设计参数对寿命的影响研究

为了研究30cm离子推力器三栅极组件设计参数对预估寿命的影响,在完成失效模式分析的基础上,通过PIC-MCC方法对离子推力器三栅极组件的离子溅射速率进行了计算,建立起栅孔二维寿命预估模型,并针对栅极设计参数对预估寿命的影响进行研究。结果显示:导致三栅极组件的主要失效模式为5kW高功率模式下的离子直接轰击所造成的栅极早期结构失效,且减速栅的过快离子溅射腐蚀成为影响三栅极组件寿命的关键,而不同工作模式不会产生新的失效方式,仅影响栅极的离子溅射速率以及寿命;在现有三栅极设计参数条件下,当推力器工作时,栅极引出的离子束流处于明显欠聚焦状态,且加速栅寿命预估值约为9062h,而减速栅约为2642h;通过PIC-MCC方法得到的栅极三个关键设计参数对寿命的影响模拟结果显示,降低加速栅电压对提升减速栅寿命的作用较小;缩小加速栅与减速栅冷态间距后,离子溅射速率会随着冷态间距的缩小逐渐降低,冷态间距由1mm缩小至0.6mm后,减速栅在5kW工况下的工作寿命可提升至10726h,且经试验验证该间距可满足推力器力学环境试验要求;缩小屏栅孔径对改变离子束流引出形状具有显著作用,单孔束流发散角度随着屏栅孔径的缩小出现了明显降低,且束流离子几乎不会再直接轰击至减速栅上游区域,当屏栅孔径由1.9mm缩小至1.6mm后,减速栅工作寿命可提升至9259h;分析结果对后续开展栅极组件的寿命优化设计提供了参考。     

碘工质电推进储供系统设计及实验

霍尔推力器越来越多地用于空间电推进,由于高纯度氙气获取难度大、成本高昂,故需要寻找其他种类的工质代替氙气用于空间推进。碘的升华温度较低,且常温储存时为固态,作为推力剂具有减小系统体积、降低成本等优势,但是适配的储供系统尚不成熟。通过比较碘和其他工质的相关特性,阐明碘作为空间电推进工质的优势,总结了国内外相关实验,说明使用碘作为推进剂的可行性,设计新型热辐射加热储罐,完成了碘工质储供系统的初步实验,对系统设计进行规划。实验结果表明:热辐射加热储罐相比于传统外部加热储罐具有更好的调节性能。     

液氧/液甲烷姿控发动机点火技术研究

液氧/液甲烷推进剂组合具有高比冲性能以及其他优异的综合使用性能,已经成为未来空间化学推进的重要发展方向之一。点火技术作为液氧/液甲烷姿控发动机的重大关键技术,对发动机可靠启动、响应特性、脉冲一致性等关键指标具有重要影响。欧美国家已经开展系统以及相关组件的预先研究,其中美国已经完成了系统级的地面自由飞行试验。国内也已开展了低温推进系统技术论证,并开展了主发动机、姿控发动机以及点火器、低温贮箱、低温阀门等关键组件的研发。针对液氧/液甲烷低温推进剂组合进行了点火技术分析筛选和试验研究,验证了电火花点火与激光诱导等离子点火两种方案的原理可行性。试验表明在入口条件从气态到液态的宽广范围内两种方案均能实现可靠、可重复点火,两种点火方式对于LO_x/LCH_4发动机均原理可行。试验得出可靠点火的火花能量边界特性、混合比边界特性、响应特性以及脉冲特性,为后续液氧甲烷发动机设计提供依据。     

外加磁场对脉冲等离子体推力器性能的影响

为了研究外加磁场对PPT性能的影响,建立了PPT带外加磁场的机电模型,并用三种不同放电能量水平的PPT验证了该模型的可靠性。利用该模型研究了外加磁场强度、模式、位置以及长度对PPT性能的影响。结果表明,对于尾部馈送型PPT,当外加磁场增加时,PPT性能先增加后减小,存在最优的外加磁场强度。对于LES-6 PPT和LES-8/9 PPT,外加磁场从极板的最左端开始施加效果最好;当外加磁场强度分别为0.25T,0.50T,0.75T,1.00T时,这两种PPT对应的最适合施加磁场长度分别是1.3mm,1.8mm,2.1mm,2.3mm和1.6mm,2.8mm,3.4mm,3.7mm。对于TMU PPT,外加磁场从极板的最右端开始施加效果最好,但是施加磁场长度应该根据具体实验结果并结合仿真计算来决定。     

圆柱形阳极层霍尔推力器内轮辐效应的实验研究

为了研究圆柱形阳极层霍尔推力器内关于电子反常输运的轮辐效应(Rotating Spoke),分别采用高速相机和静电探针来捕捉圆柱形阳极层霍尔推力器内的轮辐效应图像和等离子体震荡频率。结果表明:在放电电压350V,放电电流3.5A,阳极上表面处的磁场强度为125Gs,工作气压为2×10-2Pa时,由测得轮辐效应的放电图像和波形可知,轮辐效应的频率为10kHz～12.5kHz。当磁场强度增加到205Gs,放电电流增加到4A时,轮辐效应的频率增加到25kHz,并且轮辐效应出现分裂和合并现象。此研究结果表明,圆柱形阳极层霍尔推力器内不仅存在轮辐效应现象以及角向电场,而且不同的工作参数会有不同的轮辐效应模式和频率。     

大功率霍尔电推进研究现状与关键技术

综述了大功率霍尔电推进技术的国内外研究现状,并结合未来空间任务需求,指出了大功率霍尔电推进技术的发展趋势。根据大功率霍尔电推进的技术特点,从基本理论和工程实现的角度,指出了大功率下需要攻克的关键技术,主要包括:较高等离子体密度带来的离子热能化和溅射腐蚀增强问题、大电流动态感应磁场干扰问题、严重的热负荷问题、大结构尺寸问题、大发射电流阴极、变工质放电、阴极中置以及地面试验问题等,并分析了相应关键技术的解决途径和技术方向。