基于尺寸优化的霍尔推力器磁路设计方法研究

针对当前霍尔推力器磁路设计主要依靠经验进行人工调节的现状,本文建立了高效率高质量的磁路优化设计方法,解决逐次调节单个磁路尺寸效率低,无法满足日益精细化磁场需求的问题.通过调研经过飞行验证的推力器,明确磁场参数描述方式及范围,提炼出了霍尔推力器设计的磁场准则;在此基础上,采用基于有限元方法的尺寸优化,将磁场要求嵌入磁路优化的约束中;在多约束算法的自动寻优下完成磁路设计.选取具有双磁屏的典型磁路结构形式作为初始磁路,以1.35 kW级推力器进行验证,结果表明,优化后磁路质量减轻34.9%,励磁功率减小5.6%,磁倾角从最大超过20°减小到6°以内,对称性得以改善,最大磁场强度增加8.3%,磁场梯度提高6.4%.本文提出的基于尺寸优化的磁路设计方法适用于各功率级霍尔推力器,允许磁场需求参数在较宽范围内变化并支持同时调节数十个关键尺寸,优化磁路较好地满足了磁场设计需求.

多模式离子液体推进剂的直流电点火特性研究

直流电点火具备快速点火能力,有望取代传统催化燃烧以实现高含能离子液体推进剂的无催化快速启动。针对新型多模式硝酸羟胺(HAN)基离子液体推进剂,开展了大气条件下直流电点火实验研究。首先,测试了不同输入电压下的牺牲电极(铜和铝)和惰性电极(不锈钢、铂、银、钨、钼和石墨)的电学响应特性,获得了不同电极材料对应的最低点火电压。结果表明,采用钼和铜电极均能在输入电压80 V下实现电解点火,且临界电解响应时间小于1 s。进而,通过测试不同材料的阴阳电极组合,揭示了铜作为牺牲电极促进电化学反应的规律。最后,使用高速摄影技术捕捉了电解点火过程中气泡的生成和演变,发现阳极表面产生气泡更为剧烈。基于测试的8种电极材料实验结果,发现阳极是咪唑基离子液体电解产生气态产物的主要区域,对于离子液体的点火设计提供了理论支撑。

磁屏蔽霍尔推力器磁极腐蚀数值模拟研究

磁极腐蚀问题成为磁屏蔽霍尔推力器的主要寿命失效模式。为了研究磁极腐蚀的机理,本文基于粒子网格方法建立推力器放电的数值仿真模型,结合溅射模型模拟磁极腐蚀现象,统计磁极表面收集的入射离子运动状态,获取磁极腐蚀特性,据此探究磁极腐蚀的机理以及影响磁极腐蚀速率的因素。结果表明:磁屏蔽霍尔推力器出口倒角附近形成的高原子密度区同时也是径向电场占主导的区域,在此处电离产生的低速离子易于径向发散进而偏转向磁极方向运动。磁极表面腐蚀现象呈现径向分布不均的特点,内磁极附近轴对称电场对离子的作用是导致磁极中心腐蚀速率远高于其他位置的主要原因。

基于单值控制图算法的单组元推力器组件关键特性数据分析

针对单组元推力器组件产品的测试数据出现“合格/不包络”现象,为更好地了解产品特性,提前发现产品风险点,文章在聚焦单组元推力器6项关键特性参数的基础上,利用47台已成功飞行的推力器组件的关键特性地面测试数据构建成功飞行数据包络线,选取单值控制图算法对待分析推力器的地面测试数据进行包络分析,发现该推力器的部分特性参数出现“合格/不包络”的情况;进一步检查发现该推力器性能不满足交付要求。以上方法运算简单,操作便利,有助于提前发现产品在生产流程中的薄弱环节,从而可尽早开展相应风险分析,提高产品可靠性。

基于ADN基液体推进剂的无毒可贮存空间发动机试验研究

对一台基于ADN基液体推进剂的无毒空间发动机进行了试验研究。通过三维PDA(Phase Doppler Anemometry)综合测量系统,获得了发动机喷注器的雾化性能,得到了喷注器雾化液滴空间上的双分支分布以及液滴尺寸上的双峰状分布;通过高空模拟热试车试验,对于发动机的稳态、脉冲工作性能、工作过程中包含的催化分解及燃烧反应特性有了深入理解,研究了发动机启动时燃烧室内的建压和温度抬升过程,揭示了ADN基发动机在点火过程中体现出的点火延迟特性。

分级燃烧稳定性的数值计算

发展低NO_x燃烧技术,一个主要方法是通过分级燃烧组合燃烧过程来满足工况下的低污染排放要求.实现该技术的一个关键技术是如何在运行中避免或控制非稳定振荡燃烧.通过对分级燃烧系统的非稳态数值模拟,可以看到燃烧系统动态特性不仅与每个进口的安排有关,也和频率密切相关.通过构建火焰传递函数,可以定量分析火焰动态变化的大小和它们之间的相位关系.这些结果可以帮助我们在设计和运行分级燃烧系统时,防止可能出现的振荡燃烧,实现燃烧系统在全工况下安全、高效运行.

ADN基液体空间发动机的实验研究与在轨验证

二硝酰胺铵(ADN)是一种高能量密度、不含氯元素的绿色无毒无机盐类物质。它可以作为氧化剂,与甲醇、水混合后组成ADN基液体推进剂。ADN基液体推进剂作为一种高性能、绿色无毒、可存储的新型推进剂,可以提供相比于传统肼类推进剂更高的比冲性能,代表了空间化学推进技术的一个新的研究方向和发展趋势。主要介绍了北京控制工程研究所研制的ADN基液体空间发动机的实验研究和在轨飞行验证情况。首先,基于可调谐二极管红外吸收光谱(TDLAS)的测量方法,针对一台1 N推力的模型ADN基发动机进行了实验研究,获得了燃烧室内燃气温度、CO与N_2O组分浓度等特征参数随喷注压力的变化关系。然后,介绍了0.2 N,1 N,5 N及20 N ADN基发动机的高空模拟热试车试验情况和主要性能指标。最后,介绍了1N ADN基发动机的首次在轨飞行验证情况。这些研究结果有利于绿色空间推进技术的发展。

基于ADN的无毒推进剂热分解及燃烧反应的路径研究

二硝酰胺铵(ADN)是未来化学推进技术的一个新方向.对于ADN的分解、燃烧化学反应机理,目前还没有成熟的理论研究结果.归纳和综述了相关研究的最新进展,并提出了ADN分解燃烧的可能路径,发展了一种新的基于吉布斯自由能最小化原理的预测ADN基发动机内部反应参数的计算方法,理论计算了ADN分解燃烧反应两种可能路径的绝热火焰温度和燃烧产物组分,证明了所提出的ADN分解燃烧可能反应路径的合理性.研究内容及结果有助于加深对于ADN热分解及燃烧反应物理本质的理解,对于中国ADN基发动机的工程实践有重要理论指导意义.

非预混火焰热斑产生和演化的理论计算

对于非预混火焰来说,燃烧反应区被扩散掺混作用控制,火焰体现出比较强的分布式特征,在扰动较大的情形下,火焰面会出现被撕裂的特征。这种情况下,热斑的产生和演化问题就成了非预混火焰稳定性研究中的一个重要问题。以一个理想二维平板非预混火焰为研究对象,在伯克-舒曼经典假设的前提下,通过格林函数法理论计算非预混火焰热斑的产生与演化的整个过程。研究发现较小的St数、较大的Pe数以及较快的对流速度有利于热斑向燃烧区下游的传播。这些结果将有助于理解非预混燃烧不稳定性的相关机理以及发展相应的控制方法。

ADN基发动机燃烧室CO组分实验测量

为研究ADN基发动机燃烧室内的燃烧过程,搭建了一套基于可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)实验测量系统。实验采用直接吸收光谱法对ADN基发动机燃烧室内CO组分摩尔分数进行测量,获得了喷注压力分别为1.1MPa,0.9MPa,0.7MPa,0.5MPa时,发动机燃烧室内CO组分摩尔分数随时间的变化。实验结果表明当发动机喷注压力由1.1MPa下降到0.5MPa时,燃烧室内CO平均摩尔分数由2%上升到4.7%,这表明发动机喷注压力的变化影响燃烧室内ADN基推进剂化学反应进程,当喷注压力下降时燃烧室内CO摩尔分数升高,ADN基推进剂燃烧不充分。

不同反应机理及模型对燃气轮机燃烧室数值模拟结果的影响

对甲烷燃烧NOx排放的5种典型机理进行分析比较,对比了详细机理、稳态假设简化机理和经验拟合机理在燃烧室NOx排放数值模拟中的特点,并运用这些机理计算了与燃气轮机燃烧室工况相似的湍流燃烧过程.通过已有试验结果对模型进行校验,讨论了模型参数、压力等对温度和NOx排放的影响,结果表明:模拟结果与试验结果较吻合,说明合理选择化学反应模型、湍流模型和燃烧模型,可以提高计算效率及保证结果的准确性.

1N ADN基推力器瞬态启动性能试验研究

为研究1N ADN基推力器的瞬态启动性能,给推力器在轨使用提供参考,通过设计推力器高空模拟热试车系列工况,研究了催化床不同预热温度、喷注压力、不同寿命阶段推力器的瞬态启动性能,获得不同条件下推力器开机加速性t_(90)指标.结果表明1N ADN基推力器t_(90)随预热温度的上升呈现先减小后增大的趋势;推力器喷注压力降低,t_(90)变大;同时,研究了ADN基推进剂地面存储时长对推力器的瞬态启动性能的影响,实验结果显示在存贮时间内,推力器t_(90)指标保持稳定.

甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况仿真与试验研究

基于简化化学反应模型,对甲基肼/四氧化二氮发动机脉冲工况燃烧特性进行了仿真分析,并结合高模热试车对仿真结果进行了对比验证.结果表明:燃烧室压力在3.7 ms时基本达到稳定;而温度场在8 ms左右达到稳定,室压先于温度场达到稳定;燃烧室壁面液膜热流密度先增大后降低,脉冲工况下发动机推力室壁面液膜冷却效果受脉冲宽度影响较大;不同的脉冲宽度下,燃烧室内的压力上升过程相同,关机后的压力下降过程也基本相同,发动机在2.5~3 ms后能够输出较稳定的推力或冲量.

热结构改进对ADN基发动机推力性能的影响研究

1N ADN基推力器在执行点火间隔不规律的密集脉冲串工况时易出现毛细管气阻现象,引起的推力不稳定。为了消除气阻影响,改进产品热设计结构;通过高空模拟热试车试验,对比了推力器改进前后执行风险工况的推力输出情况;对比了20万次脉冲寿命初、末期推力性能;通过3600 s长稳态点火试验,验证了推力器稳态工作及脉冲工作的稳定性。结果表明,热结构改进能有效降低毛细管整体温度,使热回浸高温带来的气阻现象消失,产品推力曲线随脉冲间隔无变化,进一步拓展了二硝酰胺铵基(ADN)绿色无毒推进剂的应用。

分布式非预混火焰传递函数的实验研究

非预混燃烧是动力设备和推进系统中常见的燃烧组织形式。为了理解非预混火焰的动力学特性、预测和控制其振荡燃烧现象,有必要获得其火焰传递函数。本文通过实验测量对分布式非预混火焰的传递函数进行了研究,实验对象为甲烷空气同心射流火焰。实验中使用双麦克风技术测量燃烧室出口速度脉动,作为传递函数的输入量;使用CH基自发荧光测量燃烧过程的放热率脉动,作为传递函数的输出量。搭建了卡塞格林光学测量系统,以提升放热率测量的空间分辨率,实现单点测量,进而得到一维分布式火焰传递函数。结果表明,在频域内,实验中测得的传递函数的幅值沿火焰轴向存在两个峰值,在幅值的峰谷处相位角有180°翻转,这是热斑以对流速度向下游传播,跨越火焰面时所造成的。

不同电极材料下ADN基液体推进剂电点火特性的实验研究

目前二硝酰胺铵(ADN)基液体推进剂在工程应用中均采用催化点火燃烧方式,而电点火可以避开催化剂高温失活、冷启动等问题。为了研究ADN基液体推进剂的电点火特性,在密封装置中开展了不同电极材料下推进剂液滴电点火实验,并研究了180V^230V电压范围内液滴着火延迟时间、着火持续时间以及燃烧过程的变化规律。结果表明:ADN基液体推进剂能够通过电阻加热点火方式点燃。采用钨丝电极时,着火延迟时间、着火持续时间和反应总时间均随着电压增加逐渐减小,在230V电压时相对于180V时分别减小了25%,56%和38%。采用钼丝电极时,着火延迟时间在180V^200V范围随着电压增加逐渐降低,在200V^230V电压范围内基本不变;着火持续时间总体上随着电压的增加而呈现略微增加的趋势,但增加幅度较小;反应总时间在180V^230V电压范围内基本稳定在1.5s左右。

基于单隐层神经网络的压电执行器非线性特征建模策略研究

研究了压电致动器的几种主要非线性特征的联合建模方案,其中包括迟滞、蠕变和温度漂移.提出了一个利用NARMAX模型的级联单隐层前馈神经网络以消除迟滞的影响,利用信息标准和误差缩减比算法确定对模型误差影响最大的几项回归因子作为网络的输入节点.实验表明,利用多网络泛化和正则化策略,网络在测试数据上的绝对误差可以下降到不高于±0.1μm;通过将运行时间、温度传感器测量值和激励电压频率三项数据加入输入节点,可补偿蠕变和温度漂移导致的非线性因素,将最终在测试集上的绝对误差限制在±0.01μm之内,且对于不同的激励电压频率具有良好的泛化能力.本文的研究成果对于多非线性耦合的压电执行器建模有一定的借鉴意义.

空间双组元发动机离心式喷注器的喷注流场诊断技术研究

对空间双组元发动机核心部件喷注器的喷雾流场可视化诊断技术开展了研究,有效识别了传统分析手段难以发现的雾化场缺陷,对发动机工作特性进行早期诊断,实现故障预防和设计优化。离心式喷注器的雾化喷注流场包含了大量的数据信息,可以通过高速摄影和图像分析进行数据挖掘分析。通过均值图像和余弦相似性计算对喷注流场的空间分布结构进行诊断,均匀雾化场的左右相似度可以达到0.99以上。对图像液滴进行追踪测速,得到雾化平均速度场的量化分布。对雾化图片进行本征正交分解,提取了雾化场前6阶脉动主模态和幅频信息,通过分析其动态特性进行异常状态识别。与热试车结果的比对证明了在喷注流场诊断中发现异常的发动机在点火过程中出现了不均匀燃烧或者局部高温的缺陷,与冷态的流场诊断结果相符,对该诊断方法进行了验证。

ADN基推力器中红外吸收光谱燃烧诊断

ADN(二硝酰胺铵盐)基单组元绿色推进技术是空间推进领域的国际研究热点,目前国内外对ADN基推进剂分解和燃烧过程缺乏统一、完善的燃烧动力学机理,尤其欠缺对推力器内部燃烧过程和关键中间产物定量信息的实验研究。本文通过发展先进中红外光谱诊断技术(QCLAS),实时诊断ADN基推进剂分解、燃烧反应中的CO,N_2O多种关键组分浓度、燃气温度等关键参数。推力器稳态点火测量结果验证了ADN推进剂催化分解和燃烧两步反应阶段理论研究,脉冲点火下组分浓度变化规律呈现与脉冲序列一致特性,验证了推力器正常工作的稳定性和可靠性。基于测量结果初步评估了ADN基推力器性能,特征速度达1130m/s,达到同类型肼推力器标准,验证了该绿色推力器良好的应用前景。

双模式离子液体推进剂真空条件催化点火特性

针对双模式离子液体推进剂在真空环境下的化学推进模式展开实验研究。制作了可光学观测模型发动机,搭建了真空舱实验平台,然后采用高速相机、热电偶结合压力传感器以及烟气分析仪等测量方法,研究了1~4 mL/min流量工况下推进剂在模型发动机中的催化点火特性,对其着火和燃烧过程有了直观深入的认识,分析了过程中催化床不同深度位置的温度变化和真空舱内的压强变化,同时得到了主要生成气体产物的组分及其相应的浓度值变化情况,这对于深化双模式离子液体推进剂化学推进工作模式下物理机理的理解具有重要意义。