Research on vacuum plume and its effects

In vacuum environment, the exhaust flow of attitude control thrusters would expand freely and produce the plume, which possibly causes undesirable contamination, aerodynamic force and heating effects to the spacecraft. Plume work station (PWS) is developed by Beihang University (BUAA) for numerically simulating the vacuum plume and its effects. An approach which combines the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method and difference solution of Navier-Stokes (N-S) equations is applied. The internal flows in nozzles are simulated by solving the NS equations. The flow parameters at nozzle exit are used as the inlet boundary condition for the DSMC calculation. Experimental studies are carried out in a supersonic low density wind tunnel which could simulate the 60-80 km altitude environment to investigate the plume and its effects. To demonstrate the capability of PWS, numerical simulations are performed for the vacuum plume of several typical attitude control thrusters. The research results are of great help for the engineering design.     

喷流落压比对高超飞行器尾喷管内外流干扰的实验

为了研究吸气式高超声速飞行器尾喷流对飞行器尾部区域气动性能的影响,在中国空气动力研究与发展中心05m高超声速风洞中,在来流马赫数为50和60条件下,开展了不同落压比条件下的尾喷流干扰测压实验研究,同时采用高清纹影观测了喷流干扰区域的流场结构。实验结果表明:不同喷流落压比时,飞行器尾部区域表面压力分布差别明显,高落压比时喷流干扰作用的区域更大,压强数值更高。纹影也显示高落压比时交叉干扰激波更强、剪切层扩张更明显。喷流干扰区域已影响到了飞行器水平翼区域的压力分布,将会对飞行器操纵特性产生影响。      

横流注入形式对发动机尾喷流红外辐射特性影响的数值研究

针对轴对称收敛喷管,在其出口设计了横向射流装置,在保持横流总流量相同且进口总温为840K的情况下,数值模拟研究了横流不同注入形式对发动机尾喷流红外辐射的抑制效果.横流的注入能够增强尾喷流与外界气流的掺混,减小高温区长度.结果表明:周向4股注入时的掺混效果要明显弱于横流单股、双股相对注入,故其红外抑制效果也较差;在侧方探测面上,方位角大于20°时,横流单股注入与双股相对注入时的抑制效果非常接近,但后者效果稍好,其最大降幅达到71.6%;在下方探测面,两者的辐射强度均要比其在侧方探测面时大,且双股相对注入时的辐射强度与周向4股注入形式相当;在上方探测面上,相对于其他注入形式,横流单股注入时的辐射强度相对较小,最大降幅达到78.4%.      

球面收敛二元喷管出口三角形锯齿对气动和红外特性的影响

通过数值计算研究,分析了喷管出口锯齿修型对涡扇发动机排气系统球面收敛二元喷管气动及红外特性的影响.结果表明:相对于基准喷管,喷口锯齿修型均造成排气系统推力系数和总压恢复系数的下降,且齿底角越大,推力系数的损失越大.比较而言,内缩型锯齿修型方式对排气系统气动性能的影响最小,但导致排气喷流和总体红外辐射强度在±15°探测角附近的较大增强;外伸型锯齿修型对排气系统气动性能的影响最大;30°齿底角的等面型锯齿修型综合性能较优,对推力系数和总压恢复系数的影响微弱,同时在-30°~0°,0°~30°的探测视角内体现出一定的红外辐射抑制作用.      

真空羽流试验设备的负压液氮系统设计

真空羽流试验设备用于发动机真空羽流效应试验研究,同时兼顾卫星等热真空试验,对液氮系统有特殊要求。针对低至70 K液氮温度需求,设计一种全新的负压液氮系统,即利用液氮在负压下具有比常压液氮更低的饱和温度,来获得比常压液氮系统更低的液氮温度。该负压液氮系统主要由液氮输送子系统、常压过冷器子系统、负压抽气子系统、液氮泵子系统、热沉子系统及排放子系统组成,其中常压过冷器子系统和负压抽气子系统构成"负压过冷器",具有常压过冷器功能,供液温度可调,可为热沉提供70~77 K液氮制冷,满足发动机羽流及卫星热真空试验需求。     

离子发动机羽流二维轴对称数值模型与验证

为了解离子发动机羽流特别是交换电荷离子(CEX,Charge-Exchange)的分布和流动特性,建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格(PCI,Particle in Cell)方法对2种型号的离子发动机羽流场进行数值模拟计算,与其地面实验数据进行对比分析.结果表明:在CEX离子密度大小及分布、电势的大小及最大电势梯度的位置、CEX离子流动角方面,模拟结果同实验结果符合得相当好.在电势结构方面,由于舱壁电势的影响,模拟结果同实验结果相比有一些差别.羽流模型和计算结果为相关羽流实验和数值模拟研究提供参考.      

脉冲燃烧风洞及其在火箭和超燃发动机研究中的应用

近期美国X-43A的飞行试验数据表明脉冲式风洞能够预测飞行性能。中国空气动力研究与发展中心(CARDC)20多年来一直在发展各种脉冲燃烧风洞技术及其在火箭高空羽流、超燃发动机研究中的应用。典型的四喷管火箭底部挡板采用涡轮废气排气方案能大大减少底部热流，这是脉冲式风洞的成功应用成果；在60-80ms脉冲燃烧风洞中首次进行了室温煤油燃料的超燃模型发动机试验，测量了发动机内流道中壁面压力和发动机推力，比较了脉冲式风洞和连续式风洞的试验结果。研究表明：在M=5、6试验条件下，煤油自发点火延滞时间约4ms，因而工作时间为60-80ms的脉冲燃烧风洞能够十分经济奏效地进行超燃模型发动机研究。笔者亦介绍了正在研制中的大口径脉冲燃烧风洞方案。     

燃烧室内燃烧模型对尾焰流场及其辐射的影响

基于压力隐式算子分裂(PISO)算法,通过求解Navier-Stokes方程,对燃烧室内一步反应和两步反应模型、无燃烧室三种情形下尾焰流场进行了数值仿真;采用结构和非结构网格并分别用TTM方法和Delaunay三角形方法来生成;利用高温气体高分辨率光谱参数数据库HITEMP对辐射传输方程进行求解,得到三种情形下尾焰中CO2和H2O的光谱辐射亮度分布。仿真结果表明:不同的燃烧模型影响尾焰流场及其辐射,无燃烧室时尾焰辐射较弱。     

自由分子点源法在非均匀出口羽流场模拟中的应用

为满足高空稀薄流工程估算的精度和效率需求，将Woronovicz自由分子点源模型推广至非均匀出口发动机羽流场的计算模拟。采用分格技术剖分得到多独立点源，以此解决出口平面参数的非均匀性问题。10N双组元发动机羽流的质量和压力计算结果同实验符合良好，验证了自由分子点源模型的有效性。某实验型喷管羽流计算表明，点源模型在远场与DSMC方法基本吻合．两者误差在引入非均匀出口条件修正后得到显著改善。     

中性稳定的舰载飞机着舰模态研究

由于舰载飞机着舰前处于跟踪雷达的盲区，此时导引系统关闭，为了使飞机的姿态及轨迹角在舰尾气流扰动下力求不变，以达到安全着舰的目的，提出了飞机中性稳定的新型着舰模态，其实现途径是利用后缘襟翼对称偏转所产生的直接力，对迎角小扰动变化进行气动解耦，从而构成中性稳定舰载飞机，使飞机动力学的特征模态由振荡型转变为非周期型。仿真结果表明，该模态可有效地抑制气流扰动，提高着舰的安全性。