防溅射靶对离子推力器背溅射沉积污染的影响

针对目前对真空舱背溅射沉积污染的计算模型误差较大的问题,对地面实验中离子推力器的背溅射沉积污染效应开展了研究,提出了更精确的计算模型。由于Reynolds的模型对束流密度在轴向上误差较大,采用改进型的离子束流模型对偏离推力器80 cm位置的真空舱背溅射沉积率做了计算,并与实验结果对比校验,结果吻合较好。用校验过的模型对光舱环境和防溅射靶环境的背溅射沉积效应开展研究,研究结果显示:光舱工况的返流沉积率为2.36×10-10 g/(cm2·s),安装防溅射分子屏的工况在推力器上的背溅射沉积率为2.51×10-11 g/(cm2·s),结果表明添加防溅射分子屏后背溅射沉积污染量可以降低近1个量级。      

基于纳米铝热剂的MEMS固体微推力器点火实验研究

MEMS固体微推力器可以形成单元数量巨大的微推力器阵列,适合低成本微、纳卫星系统,是极具潜力的新型卫星推力器。为研究基于纳米铝热剂的MEMS推力器工作特性,开展了大气和真空点火实验。大气下的燃烧羽流与空气进一步燃烧,导致羽流的发光持续时间约数ms,远大于真空试验,过估了在真空条件下的推力器作用时间。真空试验获得了动态推力特征和有效工作时间(约250μs),估算推力器的冲量约55μN·s～80μN·s。羽流影响范围的直径约为30mm、流向约70mm,羽流颗粒的运动速度约132m/s。测试结果显示,底部点火先将推进剂挤出喷孔,而后在外部燃烧和爆炸。羽流形貌有两种特征:一种是剧烈爆炸,产生蘑菇云状气体产物;而另一种未产生气状产物。前者的冲量和有效工作时间大于后者。     

纳秒激光对含能聚合物固体薄膜的烧蚀特性研究

含能聚合物是激光烧蚀微推进中一类重要的推进剂,聚叠氮缩水甘油醚(GAP)是其中的典型代表。为了研究含能聚合物固体薄膜在纳秒激光下的烧蚀特性,使用8ns脉宽的Nd:YaG激光器以反射式和透射式烧蚀GAP固体薄膜靶材,对羽流演化过程和烧蚀坑形态进行了研究。结果表明:反射式烧蚀的羽流中喷射产物以气态为主,固态碎片较少,受迫形成锥面喷射,羽流演化速度较快。透射式烧蚀喷射在约束作用下,有大量固态碎片以球面膨胀,约束在羽流演化的早期抑制了喷射速度,但会逐渐碎裂分解释放产物和能量,使喷射前沿再次加速,约束延长了烧蚀区在靶材滞留的时间,使透射式烧蚀的靶材内热传导效应更为显著。在此基础上,以不同激光能量密度透射式烧蚀靶材,研究透射式烧蚀能量沉积区与周围工质的侵蚀和约束关系。结果表明:激光能量密度越大,周围工质受到的侵蚀作用越强,烧蚀坑面积越大,能量沉积区受到的约束作用越弱,透射式烧蚀的羽流演化体现出部分反射式烧蚀的特征。     

气-固相互作用模型对高空羽流撞击效应的影响研究

本文通过对DSMC方法关键技术进行研究,实现了存在干扰物条件下高空羽流三维流场的DSMC仿真,并对工程估算方法的计算精度和适用范围进行评价.通过选择不同的气体分子与壁面相互作用模型研究了壁面边界条件对羽流撞击效应的影响.     

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

姿控发动机羽流的可见光/近红外特性

为了研究发动机羽流辐射特性对光学探测成像的影响,基于不同直径粒子散射理论、辐射传递方程和分子吸收线数据库,应用有限体积法,建立了火箭发动机羽流在不同波段的辐射特性计算程序.针对实际工作情况进行建模,开展某姿控发动机工作在环月球轨道时的可见及近红外波段羽流的辐射特性计算.在0.4~0.9μm波长范围内,针对羽流气体组分、波长、观察天顶角以及太阳辐射对羽流光谱的影响作了数值计算及分析.研究结果表明:应用有限体积法开发的程序较好地模拟火箭发动机羽流的辐射特性,并具有广泛适用性;在可见光和近红外波段,太阳辐射作用对火箭发动机喷流辐射特性影响最大.      

羽流对卫星的影响及模拟

介绍在没有外流的高真空环境下,国外的一些发动机羽流边界及撞击卫星部件的力学特性计算模拟方法。详细给出了用工程近似方法计算羽流场和撞击特性,并给出了美国通讯卫星 Satcom 和 Gstar Ⅱ有关喷管流动和羽流参数的算例。在介绍了国外现有的地面模拟设备后,介绍了我所设备的模拟能力并提出了开展模拟工作的方向。     

卫星姿控发动机高空羽流场工程分析

发展卫星姿控小推力发动机高空羽流场的工程估算方法,计算分析其主要燃气组分的分布特征.采用网格技术将发动机喷管出口截面剖分形成多独立点源,建立了非均匀出口流动条件下的分析模型.与自由分子单一点源模型相比,该模型的计算结果更接近实验值.对MBB 10 N双组元发动机多组分羽流场的研究表明,压强场和内能场的变化较剧烈;不同于轻分子组分,重分子组分主要集中于轴线附近,其密度场呈较强方向性.      

霍尔推力器羽流离子能量实验研究

霍尔推力器羽流中的离子能量分布情况对于评估推力器羽流影响,优化推力器在航天器上的布局具有重要意义。本文使用阻滞势分析器对霍尔推力器羽流的离子能量分布进行了实验研究,获得了推力器在不同工况下羽流场中关注位置的离子能量分布状况。实验结果表明:霍尔推力器羽流离子主要由电荷交换碰撞产生的低能量离子和高能量源离子组成;高能量源离子的分布在推力器轴线达到最大值,低能量离子的分布随着与推力器轴线夹角的减小呈先增后减态势;随着霍尔推力器放电电压的提高,羽流源离子能量分布会相应向高能量方向偏移。     

高空羽流场的DSMC计算和实验研究

以小推力发动机的高空羽流场为研究对象，实现了高空小喷管氮气流DSMC方法数值模拟，验证了DSMC方法在高空膨胀流中的可用性，并在现有设备基础上，进行一组高空羽流试验，给出试验与计算的对比结果。结果表明：喷管出口附近能得到满意结果，由于实现设备能力所限，远场试验没有达到预期效果。