天拓五号卫星推进系统在轨故障诊断与定位方法

为保障天拓五号卫星顺利开展在轨科学试验任务,使用失效模式与影响分析方法,从发生率、严重性等多个角度,对卫星推进系统各部组件可能存在的风险进行系统性、综合性评估。根据卫星推进系统的工作特点,分别针对其在轨工作状态及待机状态,提出一套系统的故障检测与定位方法。所提方法在在轨实践中验证了有效性,成功保障了天拓五号的在轨健康运行,并为后续卫星推进系统的故障诊断工作积累了宝贵经验。

姿控推力室隔热框断裂故障分析及改进

针对某姿控动力系统推力室在力学环境试验过程中发生的隔热框断裂故障,对故障部位进行断口分析和结构强度分析,发现在高量级随机振动条件下隔热框支撑肋根部存在严重的应力集中,导致发生疲劳断裂。通过改进隔热框支撑肋结构,经强度分析和推力室力学环境试验验证,隔热框未再发生类似故障,表明改进措施方案可靠有效。

马赫数10条件下冲压发动机内氢气燃烧特性试验

针对高马赫数超燃冲压发动机面临的高效燃烧组织挑战,本文提出了一种凹腔后缘激波强化的高马赫数超声速燃烧组织技术,并设计了一套燃烧室采用双侧对称布置凹腔结构的三维发动机试验模型。采用OH*基化学发光光谱诊断与壁面测压相结合的试验手段,在自由活塞驱动激波风洞的名义Ma=10流场中,对凹腔上游横向氢气射流的燃烧特性进行了研究,并讨论了模拟流场的重复性,给出了氢气燃烧演化特征、火焰稳定结构及释热特性。不同车次的总压等流场参数表明试验流场具有较高的重复性,可保障氢气燃烧特性的可复现性。通过观察试验过程中OH*基动态发光特征发现,在高焓激波风洞发动机试验中采用燃料提前喷注的方法使发动机流道在空气主流到来之前充盈大量的氢气,进而在主流到达发动机内的瞬间形成所谓“激波管流动-燃烧”效应,使来流空气与氢气接触面发生自点火与剧烈燃烧,产生显著不同于发动机正常工作情况下的点火与燃烧机制,但随着主流趋于平稳,“激波管流动-燃烧”效应消失,在高总温气流的自点火效应与凹腔后缘的X型激波耦合作用下,火焰稳定在凹腔上游近壁面区的氢气射流尾迹区和凹腔后缘附近的全流场中。通过分析壁面压力分布特征发现,凹腔后缘的X型激波实现了燃烧的强化与火焰的稳定,并获得了最显著的释热压升。这些结果表明高马赫数冲压发动机可利用凹腔后缘X型激波强化燃烧和稳定火焰。

重复使用运载火箭液体动力技术发展

重复使用是未来运载火箭更新换代的技术发展趋势,是降低航天发射成本、实现规模化航天发射的有效途径。重点概述了国内外垂直起降重复使用运载火箭动力技术的发展现状,分析了垂直起降重复使用运载火箭发射和回收全任务剖面,总结了垂直起降重复使用运载火箭动力技术的特点,包括宽范围入口压力多次启动技术、大范围快速高精度推力调节技术、故障诊断及健康管理技术、状态检测与维修维护技术等。

液体火箭发动机健康监控技术研究进展

液体火箭发动机健康监控技术作为保障运载火箭安全、可靠发射的核心关键技术,经过几十年的发展,有力推动了航天事业的进步。介绍了液体火箭发动机健康监控技术中故障检测与诊断、容错控制与健康监控系统研制等技术的研究现状与发展趋势;梳理了健康监控领域面临的重难点问题,并提出相应的解决方案。分析展望了液体火箭发动机健康监控技术未来发展趋势,为从事火箭发动机健康监控技术研究的科研人员提供参考。

诱导轮对高速液氧泵空化流场影响研究

高抗空化诱导轮可以改善液氧泵的空化特性,提高大推力火箭的可靠性。基于计算流体力学方法,建立了高速液氧泵的流动仿真模型,通过三组试验工况验证了模型准确性,研究了诱导轮叶片数对液氧泵性能和空化特性的影响。结果表明:使用诱导轮可以减小离心轮空化面积,代偿离心轮的汽蚀,提高液氧泵扬程;在入口流量和出口压力不变的条件下,增加诱导轮叶片数,液氧泵的效率增加,扬程降低,离心轮空化面积增加,诱导轮代偿离心轮汽蚀能力削弱。综合考虑液氧泵性能参数和空化特性,三叶片诱导轮能够满足大推力液体火箭的高可靠性要求。

空间发动机离心喷嘴真空下脉冲工作雾化特性实验研究

为得到空间双组元发动机中的液液同轴离心喷嘴在真实工作时的雾化特性,利用全透明真空舱搭建了真空喷雾实验与测量系统,对同轴离心喷嘴的脉冲雾化过程进行了实验研究。在入口压力1.6 MPa,开启时间分别为8 ms,20 ms和50 ms等典型工况下,对比研究了真空与大气环境下离心喷嘴脉冲工作的雾化特性,测试了同轴离心喷嘴单路脉冲工作以及两路同时脉冲工作的喷雾情况,测量了索太尔平均直径SMD的动态变化,并使用高速相机拍摄了相应的喷雾场图像。真空与大气下的对比实验表明,在真空下同轴离心喷嘴单路脉冲工作稳定段的SMD明显大于在大气中的SMD,且在真空下锥形液膜比较平滑。同轴离心喷嘴两路同时工作的实验结果表明,真空下两锥形液膜不会合并,而在大气下两股液膜会完全混合。

长时间工作固体火箭发动机长尾喷管外绝热装置设计

固体火箭发动机长尾喷管周围一般安装有电子仪器,故而对喷管壳体表面温度有严格的限制。对于某长时间工作的发动机,为满足喷管壳体表面温度要求,同时降低消极质量,设计了一种新型双腔外绝热装置,以实现在较小的消极质量下具有较好的绝热性能。对该绝热装置进行了内流场及传热计算分析,而后进行了绝热结构优化及试验验证。结果表明:该双腔外绝热装置可以将长时间工作固体火箭发动机长尾喷管外壁温度从483℃降低至103℃,降低约78.7%;而采用同等材料同等质量的常规外防护装置只能从483℃降低至227℃,降低约53.0%;而要达到相同的防护效果,同等材料常规外防护装置的质量将增加约160%。双腔外绝热装置中段及尾端处温度随时间变化趋势与实测结果吻合较好,有望应用于其他长时间工作发动机。

膨胀循环氢氧发动机火炬点火系统方案研究

针对膨胀循环氢氧发动机多次点火需求,开展了火炬式电点火系统方案论证和仿真研究,明确了较为合理的低压火炬式电点火系统方案,并完成整机级试验验证。结果表明,氢主阀打开瞬间点火室混合比波动较大,可能造成结构烧蚀;从氢涡轮前引气氢、氧泵后引液氧的方案烧蚀风险较小,但对发动机起动和稳态特性有一定影响。试验验证了仿真分析结果,实现了中国液体火箭发动机首次低压火炬式电点火起动,初步表明点火系统方案可行。

我国空间推进技术领域发展思考与建议

我国空间推进技术领域历经60余年发展形成了较完善的技术体系和较丰富的产品谱系,支持了载人航天、应用卫星、深空探测等重大工程应用;面向我国航天领域未来规划、重大工程和科学项目的应用需求,空间推进系统现有的技术水平存在不足,亟需谋划创新发展和突破方向。本文从电推进、化学推进、核推进、新概念空间推进等角度出发,系统梳理了空间推进系统的发展现状;重点提炼了高性能、低成本的空间推进系统支撑低轨小卫星组网发展,大推力、可重复使用的低温化学推进技术推动新型空间运输系统发展,多类型、长寿命的空间推进技术保障深空关键应用等未来应用需求。研究认为,我国空间推进技术领域面临系统可靠性和寿命亟需进一步提高、部分领域的产品成熟度与国际先进水平差距明显、产品成本高、可选推进技术种类少且重点技术研究滞后等迫切挑战,需开展顶层规划、优化技术选择,重视基础研究、构建发展机制,在重点技术方向上分类推进科研攻关,尽快实现低轨小卫星、地月空间转移、深空探测(含载人航天)用推进系统的技术突破与在轨应用。

基于热容法测量的卫星推进剂剩余量仿真分析

热容法是具有主动热源输入的卫星推进剂剩余量测量方法,该方法是通过在贮箱表面安装特定功率加热片同时获取测点温度变化数据的方式推算推进剂剩余量.为获得微重力环境下准确的热分析模型,针对板式贮箱在轨环境下的气液分布特点,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对贮箱热容法进行数值仿真,研究不同加速度条件、填充比与测点位置对热容法精度的影响.结果表明,在微重力环境下,推进剂受微重力影响沿导流板向上爬升,推进剂浸润的贮箱壁面面积更大,从而导致贮箱的温度分布与地面工况存在明显差异.通过研究发现,在微重力工况下,当测点分布于远离热源处时,测点的温度分辨率更高,热容法的测量精度更高.

凹腔构型对超声速气-固两相富燃燃气掺混燃烧的影响

凹腔作为燃烧增强装置,在超声速气-固两相富燃燃气掺混燃烧中发挥着重要作用。基于火焰稳定凹腔和斜劈装置,提出了波瓣凹腔构型,通过数值模拟深入分析了凹腔构型在超声速气流中对气-固两相富燃燃气掺混燃烧的影响。通过对流场参数、流场云图及颗粒运动轨迹等的分析,发现富燃燃气中的气相组分和凝相颗粒在空间分布和释能过程中表现出分区运动和分区燃烧的特点。结果表明:随着燃烧过程的深入,颗粒的空间分布逐渐分散;流场参数在燃气喷口附近变化剧烈、流场下游变化缓慢;波瓣结构具备增强流场湍动能和降低流场不均匀性的能力,进而促进了各组分的掺混燃烧;采用双波瓣凹腔时展现出最优的促进效果。波瓣结构能够扩大流场中高温区域的空间分布,有效延长凝相颗粒在高温区域的停留时间,为凝相颗粒的燃烧和能量释放提供了更为有利的条件。

节流式燃/氧分离组合固体发动机推力性能调节数值研究

节流式燃/氧分离组合固体发动机将燃烧室分为富燃燃烧室和富氧燃烧室,采用富燃固体推进剂和富氧固体推进剂串联装填的形式,在两个燃烧室中间增加节流阀,通过调节节流阀开度实现推力调节。利用商业软件对节流式燃/氧分离组合固体发动机在节流阀流道半径不同时的工作状态进行模拟,研究节流式燃/氧分离组合固体发动机的工作特性,获得节流式燃/氧分离组合固体发动机燃气流动和掺混特征,揭示节流式燃/氧分离组合固体发动机推力调节机理以及节流阀流道半径对节流式燃/氧分离组合固体发动机燃烧效率的影响规律。研究发现:节流阀流道开度(即节流阀流道半径R)减小可增大发动机推力;随着节流阀开度的减小,节流阀出口燃气马赫数随之增大,而发动机燃烧效率却出现先增大后减小的规律,当节流阀出口燃气流动达到临界状态时发动机燃烧效率出现最大值。

5A发射电流空心阴极热特性模拟分析

采用有限元分析方法,建立了国产5 A空心阴极的热仿真模型,并进行了模型校验和典型工况下的温度场分析。结果显示:模型能够较好地反映空心阴极内部的能量传动过程,温度的仿真结果与试验比对误差小于5%;加热电流是造成空心阴极温度差异的主要原因;环境温度主要影响着空心阴极的外部部件温度,并且在太阳辐照影响时的高温环境更有利于推力器的启动;空心阴极加热且处于自持放电状态时,发射体温度在环境温度0℃和94℃下分别达到2 122℃和2 126℃,已接近发射体材料的耐温极限,因此空心阴极必须避免此极端使用工况。

复合推进剂细观力学行为试验及数值仿真研究进展

复合固体推进剂是一种以黏合剂体系为连续相,固体颗粒为分散相的高固体颗粒填充比例的复合含能材料,其宏观尺度力学行为强烈依赖于其细观尺度的三维结构。从推进剂细观力学行为角度综述了复合推进剂细观结构的界面特性和复合推进剂细观结构模型,数值分析了复合推进剂细观损伤演化,通过试验验证了推进剂细观损伤与宏观力学性能的相关性,指出了推进剂宏观性能的微细观结构影响机制,分析了目前标准的现状。为高颗粒填充高能固体推进剂的构效关系及配方设计与创制和复合推进剂标准建设提供重要参考。

基于MSW-LSTM的卫星功率负荷预测方法

文章提出一种基于多尺度小波变换的长短期记忆神经网络(Multi-scale Wavelet-Long Short-term Memory,MSW-LSTM)卫星功率负荷预测方法,利用多尺度小波变换的时频特性将卫星功率负荷数据进行平稳化处理,结合LSTM算法针对多尺度小波分解并降噪后的各尺度功率负荷序列进行预测,并对预测得到的各序列数据进行重构得到时域功率负荷数据,从而提高卫星功率负荷预测的精度。通过某在轨卫星真实功率负荷数据进行分析,仿真结果表明本文提出的算法可以有效地提高功率负荷预测的精度,且针对不同轨道的卫星功率负荷预测有较高的普适性和鲁棒性。

三元乙丙橡胶绝热层混炼胶贮存老化性能研究

绝热层混炼胶老化性能决定了绝热层使用前的贮存时间,为了掌握绝热层混炼胶贮存时间对绝热层后续使用性能的影响,以控制绝热层混炼胶贮存时间,采用热氧老化试验研究绝热层混炼胶老化不同时间后性能的变化。结果表明,随着老化时间延长,硫化剂(DCP)在高温条件下发生分解、三元乙丙橡胶(EPDM)分子链发生断裂,绝热层力学性能、硫化性能、粘接性能及凝胶分数逐渐降低,其他理化性能无明显变化。由此说明为有效提高绝热层高温贮存有效期,延长使用寿命,应严格关注贮存温度同时远离光照及紫外线照射。

长期贮存发动机中HTPB推进剂老化特性及蠕变本构模型

为了研究固体火箭发动机长期贮存期间老化对推进剂力学性能的影响,开展了三种温度(50℃,60℃与70℃)下为期60天的高温加速老化试验。对老化前后HTPB推进剂进行了定速拉伸试验与蠕变试验,并采用扫描电镜观察了其表面细观形貌。引入扩裂元件,结合Arrhenius方程,建立了含老化因子的推进剂蠕变全过程本构模型,利用试验数据拟合了模型参数并验证了其有效性。结果表明:随着老化进程的加剧,推进剂最大伸长率逐渐减小,最大抗拉强度会依次出现下降、波动、上升三个阶段。所建本构模型能较好地表征贮存1.5年后推进剂的蠕变全过程,预测曲线与试验结果曲线最大误差为13.35%。

电推进粒子网格法模拟中计算加速方法的研究综述

粒子网格法(PIC)模拟电推进装置等离子体时具有很强的第一性,但是模拟过程中计算负载很大,故PIC模拟的计算加速方法不可或缺。本文从电推进装置基本性质、低温等离子体物理特性和PIC算法特点作为切入点,明确了PIC方法在电推进装置模拟过程中计算负载高的原因;结合国内外的研究现状,从建模、时空尺度、算法与并行三个层面介绍了对应计算加速方法的原理和效果;对各类计算加速方法进行了总结和展望。

壁面开孔方式对可渗透喷管推力性能影响数值研究

为降低传统大扩张比喷管在低空飞行时喷管内燃气过膨胀带来的推力损失,提出一种具有自适应高度补偿功能的可渗透壁喷管。对采用不同壁面开孔方式的可渗透喷管进行数值模拟,对比并分析喷管的全弹道推力性能。计算结果显示,可渗透喷管在低空下的推力补偿效果明显,比冲增益最高达10%,在高空下的推力损失低至1%,高度平均比冲增益最高达1.5%。在孔隙率、壁面开孔形状相同的情况下,壁面开孔尺度越小可渗透喷管的推力性能越好,但总体上不同壁面开孔尺度的可渗透喷管的全弹道性能差异为0.6%。产生性能差异的主要原因是相同孔隙率的情况下,低空通过小尺度孔进入喷管的气流更均匀,对可渗透段内壁面压强的提升以及分离激波的削弱效果更好,因此带来的低空推力补偿效果更好。在孔隙率、壁面开孔尺度相同的情况下,采用圆柱孔的可渗透喷管的推力性能要优于圆锥孔的可渗透喷管。综合性能最好的圆柱孔可渗透喷管与综合性能较差的渐缩型圆锥孔可渗透喷管的全弹道性能相差约3.3%。