10cm氙离子推力器变推力特性研究

非重力阻尼的连续、快速、高精度补偿是实现重力梯度测量卫星精细重力场测量的关键技术之一,直接影响到整星工程任务的成败。针对重力梯度测量卫星在轨飞行期间对电推进系统宽范围连续变推力能力的应用需求,分析了10cm氙离子推力器推力调节响应特性。在此基础上,通过对阳极电流、励磁电流和阳极流率等推力高敏感响应参量的组合调节,开展了推力调节试验研究,验证了10cm氙离子推力器宽范围连续变推力调节能力,获得了1～20mN范围内的推力调节性能及其变化规律。试验结果表明：在采用地面供电、供气设备条件下,10cm氙离子推力器能够在100～597W的功率范围内实现0.98～20.29mN的推力宽范围调节,比冲175～3500s,推力分辨率优于50μN。研究为建立10cm氙离子电推进系统的推力控制数学模型及调节控制算法奠定基础。     

涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。     

被动射流旋涡对高速扩压叶栅气动性能的影响

提出了一种利用压力面与吸力面间压差产生射流旋涡的被动流动控制技术以改善压气机叶栅的气动性能,在进口马赫数Ma=0.67的高速扩压叶栅上验证了其有效性。结果表明,射流旋涡可有效增强吸力面附面层与主流间的能量交换,改变下游壁面涡的结构和尺寸,推迟流动分离,减小角区损失。当射流距分离线或端壁较近时,当地较厚的附面层使得旋涡上洗区的掺混损失增加;而射流距分离线或端壁过远时均会减弱下洗区能量注入对角区低能流体的影响;指向端壁的射流会增加壁面涡强度,而沿远离端壁方向过大的偏角则会减弱射流旋涡强度,从而减弱其控制效果。当射流轴向距叶片前缘xj/cx=40%、沿叶高距端壁h/H=15%、射流偏角β=60°时,其改善栅内流动的效果最佳,总压损失减小可达5.2%,而射流流量仅相当于主流的0.27‰。     

启动过程对大膨胀比喷管外压失稳的影响研究

针对上面级发动机大膨胀比喷管高模试车时发生的外压失稳现象,进行了高模试车时的稳定工作和启动过程数值仿真和实验研究。结果表明:对于室压4.5MPa,环境压力87k Pa,喷管面积比70的上面级发动机,稳定工作时,喷管承受的是内压载荷,不会发生外压失稳;不预抽真空启动时,喷管内的流场建立过程所需的时间很短约0.4s,而试验舱的压力只能依靠发动机的引射而降低,从0.4s开始喷管承受较大的外压载荷,直至10s左右试验舱的压力低于喷管内壁压力,在较长时间内喷管一直承受外压载荷,很容易发生外压失稳;预抽真空启动时喷管在0.14s到0.42s时间段承受外压载荷,且只在0.14s到0.25s内承受的外压载荷较大,喷管承受外压载荷的时间很短,不会发生外压失稳;启动前抽真空是避免喷管发生外压失稳的一种有效手段。     

空心阴极羽流形态与热特性的变化机理

空心阴极的放电模式主要有点状和羽状两种,为研究两种模式的转变机理,采用PIC/PCD（单元粒子/等离子体化学动力学）混合算法对阴极内部等离子体流场进行计算,以辐射传递系数处理阴极内部的热辐射计算,并且在通过流场与热场的多次迭代计算后达到收敛。为验证数值模型的计算精度,考察阴极表面5个测点的计算结果与试验数据对比,计算误差在5%以下,并且以羽流光色计算图与试验照片作对比,定性验证模型对放电模式的模拟精度。在此基础上,对不同气体流量下、不同阴极顶孔径的阴极内部各类等离子体参数分布进行计算,通过分析阳极电压、羽流形态变化的内在原因,获得点-羽放电模式的转变机理,可为阴极优化提供理论支撑。     

金属柱状阵列结构二次电子发射系数模拟研究

二次电子发射系数（secondary electron yield,SEY）的抑制对提高空间大功率微波部件的微放电阈值、降低粒子加速器发生电子云效应的风险等具有重要意义。针对现有圆柱形柱状阵列SEY抑制方法,未考虑实际加工工艺可能导致柱体形貌偏差,进而影响SEY抑制效应的问题,结合二次电子发射唯象概率模型和电子运动轨迹射线追踪法,研究了圆形、方形、圆锥形、截断圆锥形、方锥形、沙漏形及螺纹形柱状阵列的SEY。模拟结果表明：与理想圆柱形柱状阵列相比,方形、方锥形、螺纹形柱状阵列的SEY抑制效应与圆柱阵列基本相同（差异小于~6%）,而其余几种形状的柱状阵列的SEY抑制效应略逊于理想圆柱阵列。因此,从SEY抑制效应角度看,圆柱形柱状阵列具有较好的工艺容差性能。研究结果为柱状阵列结构在SEY抑制领域的工程化研究与应用提供了参考。     

纳秒脉冲滑动弧放电等离子体裂解煤油实验研究

为改善极端条件下航空煤油的点火和燃烧性能,提高煤油活性,本文在大气压氮气环境下利用纳秒脉冲电源产生的滑动弧等离子体进行煤油裂解实验研究,得到了包含活性更高的气态轻质烃和氢气等小分子物质的裂解气。通过改变电源输出脉冲电压的上升沿时间和下降沿时间,得到了裂解气产量、碳氢比以及裂解气中各组分选择性的变化规律,并总结了相关的部分反应路径。实验结果如下：裂解气产量随着上升沿时间的增加而减小,随着下降沿时间的增加而上升,裂解气碳氢比则呈现相反的变化规律;裂解气主要组分中,乙烷选择性最高,在各实验工况下均超过30%;随着上升沿时间和下降沿时间的增加,裂解气中丙烷和丙烯的选择性均降低,氢气的选择性上升;上升沿时间和下降沿时间的变化对裂解效果产生影响的主要原因是改变了反应的路径。实验结果表明,纳秒脉冲滑动弧放电等离子体可以将煤油中的部分大分子烃类转化为气态轻烃和氢气等高活性组分。同时,增加纳秒脉冲电压下降沿时间能够改善滑动弧等离子体的裂解效果,获得更多活性更高的小分子物质。     

闭式整体叶盘成组电极高效电弧成形加工技术

带叶冠的闭式整体叶盘可为液体火箭发动机涡轮泵、航空涡轮发动机等产品提供优异性能,但更高的加工难度也成为制约加工成本和生产能力的瓶颈。目前通常采用电火花加工、电化学加工工艺加工该类开敞性不足的闭式流道,主要问题在于加工效率较低,制造成本昂贵。为此,提出一种使用成组电极在大电流、长脉宽放电条件下进行多流道并行开粗加工的高效电弧加工方法。首先分析了高效电弧放电加工对成组电极设计的要求,提出一种具有内冲液结构的多头成组电极设计方法,然后借助流体仿真工具对电极内部冲液通道的分流结构进行了优化设计。通过试制一款闭式整体叶环,对该方法实际效果进行了验证,测算了加工过程的材料去除率、电极损耗率。结果显示,与此前提出的单头电极电弧加工相比,使用该成组电极后材料去除率提高了62.9%。得益于更高的材料去除率和更少的辅助操作,同款叶盘的开粗用时缩短为常规电火花加工工艺的8.7%。     

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电（SDBD）在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应,为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果,实验使用高频交流电源,基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH*自发辐射,研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用,火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强,从而扩大了剪切层燃烧宽度,同时燃烧释热速率会明显提高,这主要与等离子体活化效应有关,并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时,等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角,使火焰高度降低、宽度增大,且作用效果随放电电压提高逐渐增强。