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An introduction to the novel vacuum plume effects experimental system 被引量:4
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作者 CAI Guo Biao LING Gui Long HE Bi Jiao 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2016年第6期953-960,共8页
This paper introduces a newly developed vacuum Plume effects Experimental System(PES) used for plume effect tests of rocket engines and vacuum heat tests of satellites. The design level, manufacturing technique, and t... This paper introduces a newly developed vacuum Plume effects Experimental System(PES) used for plume effect tests of rocket engines and vacuum heat tests of satellites. The design level, manufacturing technique, and testing capabilities of the PES have reached a highly advanced level at home and abroad. The PES mainly consists of a vacuum chamber, vacuum acquisition system, nitrogen system, helium system, and parameter measurement system. A breakthrough was obtained on the Large Scale Cryo-Pumping System, which was based on a combined liquid nitrogen and liquid helium heat sink. An internal cryopump with a limiting temperature of 4.2 K and an efficient absorption area of 305 m2 was developed. The absorption capability of the cryopump was above 7×107 L/s. Vacuum plume tests were performed in the temperature ranges of ambient temperature, liquid nitrogen, and liquid helium. The experimental results showed that the plume test capability of PES is higher than that of similar foreign equipment STG and CHAFF-4. For 2 g/s and 117 N rocket engines, the dynamic vacuum degree of environment was 8.0×10?4 Pa(approximately 137 km height) and 1.1×10?2 Pa(approximately 106 km height), respectively. 展开更多
关键词 vacuum plume effect liquid nitrogen heat sink liquid helium heat sink plume absorption pump
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Investigation on aerodynamic force effect of vacuum plumes using pressure-sensitive paint technique and CFD-DSMC solution 被引量:3
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作者 WU Jing BITTER Martin +2 位作者 CAI GuoBiao HE BiJiao KAEHLER Christian 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第7期1058-1067,共10页
Pressure-sensitive paint(PSP) technique was employed to experimentally investigate the aerodynamic force effect of vacuum plume in this study. The characterization and comparison for two types of PSP were firstly cond... Pressure-sensitive paint(PSP) technique was employed to experimentally investigate the aerodynamic force effect of vacuum plume in this study. The characterization and comparison for two types of PSP were firstly conducted in an air pressure range from0.05 to 5000 Pa. The PSPs were prepared using PtTFPP as the active dye and different binders, i.e., polymer-ceramic(PC) and poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) [poly(TMSP)]. The static calibrations showed that PtTFPP/poly(TMSP) had a higher pressure sensitivity and a lower temperature dependency compared to PtTFPP/PC in this pressure range. The pressure distributions of a single and two interacting plumes impinging onto a flat plate model were measured using PSP technique. The experimental data were compared to numerical solutions that combined both the computed fluid dynamics(CFD) and direct simulation Monte Carlo(DSMC) methods. Remarkable agreements were achieved, demonstrating the feasibility and accuracy of the numerical approach.Finally, the aerodynamic force effect of interacting plumes at different separation distances was investigated numerically. 展开更多
关键词 vacuum plume plume interaction aerodynamic force effect pressure-sensitive paint CFD-DSMC
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Research on vacuum plume and its effects 被引量:6
3
作者 He Bijiao Zhang Jianhua Cai Guobiao 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2013年第1期27-36,共10页
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... 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. 展开更多
关键词 Attitude control effectS EXPERIMENTS Monte Carlo methods vacuum plume
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神舟飞船平移发动机对太阳能帆板羽流效应数值模拟研究 被引量:4
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作者 蔡国飙 贺碧蛟 《载人航天》 CSCD 2011年第4期48-53,共6页
使用PWS计算软件就神舟飞船平移发动机羽流对太阳能帆板气动力效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的羽流计算通用软件,计算结果与国外试验测量值符合较好。数值模拟研究表明:发动机羽流对着太阳... 使用PWS计算软件就神舟飞船平移发动机羽流对太阳能帆板气动力效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的羽流计算通用软件,计算结果与国外试验测量值符合较好。数值模拟研究表明:发动机羽流对着太阳能帆板羽流气动压强最大值出现在单机和双机工作时帆板处于0度角位置时,但作用力不大;发动机羽流对太阳能帆板影响最大的工况出现在双机工作时帆板处于45度角位置时,其作用在帆板中心点上的合力约为24N,合力矩约为7.7Nm。平移发动机对处于羽流直接撞击区的太阳能帆板有较大的力效应作用,数值模拟结果可以为飞船平移发动机使用模式提供一定参考作用。 展开更多
关键词 真空羽流 真空羽流效应 DSMC PWS软件 神舟飞船
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PWS软件应用于探月着陆器羽流效应数值模拟研究 被引量:8
5
作者 蔡国飙 贺碧蛟 《航天器环境工程》 2010年第1期18-23,5,共6页
文章使用自行开发的PWS计算软件就探月着陆器主发动机羽流对着陆缓冲机构产生的气动力和对流换热热效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法的羽流计算通用软件,其松散的软件架构保证了各个计算模块的相对... 文章使用自行开发的PWS计算软件就探月着陆器主发动机羽流对着陆缓冲机构产生的气动力和对流换热热效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法的羽流计算通用软件,其松散的软件架构保证了各个计算模块的相对独立性,使用"与"、"或"逻辑法则的二级构造法来实现边界条件的通用性。软件的计算值与国外CUBRC实验测量值符合得很好。使用PWS软件对着陆器主发动机羽流进行数值模拟计算表明着陆缓冲机构所受的羽流气动压强最大达到2.4Pa;缓冲机构底盘侧面的对流换热热流密度最大达到2000W/m2;当缓冲机构壁面温度从300K增加到500K时,其表面对流换热流密度值有所下降,其最大下降值不到5%。 展开更多
关键词 真空羽流效应 直接模拟蒙特卡罗方法 pws软件 探月着陆器
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航天器发动机羽流对敏感器热效应仿真研究 被引量:4
6
作者 张健 尚志 《航天器工程》 2009年第3期59-65,共7页
采用差分求解N-S方程与DSMC方法相结合的方法,研究了航天器单台发动机连续工作情况下真空羽流对航天器敏感器的热效应。首先通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场,然后应用DSMC方法对喷管出口外轴对称羽流场进行计算,最后将轴对称羽... 采用差分求解N-S方程与DSMC方法相结合的方法,研究了航天器单台发动机连续工作情况下真空羽流对航天器敏感器的热效应。首先通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场,然后应用DSMC方法对喷管出口外轴对称羽流场进行计算,最后将轴对称羽流场计算结果作为模拟粒子入口边界条件,在并行计算机平台上进行三维羽流场和热效应计算得到航天器单发动机连续工作情况下羽流场对敏感器的热效应。以两个敏感器为例,对仿真结果进行了分析和比较,并得出了相应结论。 展开更多
关键词 航天器 真空羽流 敏感器 羽流热效应
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大型液氮液氦热沉一体化设计 被引量:2
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作者 郑侠 张延宾 《真空》 CAS 2015年第1期75-78,共4页
介绍了大型液氮液氦一体化热沉主要性能指标、设备结构和特点。针对热沉使用温度能够保持在低于10 K的使用要求,对热沉总体布置、管板结构形式、壁板结构形式、翅片管间距进行了详细设计,并对热沉材料选择和焊接进行了论述。该热沉能够... 介绍了大型液氮液氦一体化热沉主要性能指标、设备结构和特点。针对热沉使用温度能够保持在低于10 K的使用要求,对热沉总体布置、管板结构形式、壁板结构形式、翅片管间距进行了详细设计,并对热沉材料选择和焊接进行了论述。该热沉能够进行航天发动机羽流效应试验,同时能够兼顾航天器热真空和热平衡试验。 展开更多
关键词 真空 液氮热沉 液氦热沉 羽流效应 热真空试验
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地外天体起飞过程真空羽流导流力热效应研究 被引量:5
8
作者 贺卫东 党海燕 +2 位作者 许明艳 马艳丽 赵辉 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第8期1151-1156,共6页
为研究地外天体起飞真空羽流对探测器分离产生的力热扰动,使用计算流体力学-直接模拟蒙特卡洛(CFD-DSMC)耦合计算模型对锥面导流的真空羽流场进行了计算。采用组分输运模型计算三维连续流场,并获取当地的克努森数作为判断连续流和离散... 为研究地外天体起飞真空羽流对探测器分离产生的力热扰动,使用计算流体力学-直接模拟蒙特卡洛(CFD-DSMC)耦合计算模型对锥面导流的真空羽流场进行了计算。采用组分输运模型计算三维连续流场,并获取当地的克努森数作为判断连续流和离散流的依据。使用基于分子动力学的直接模拟蒙特卡洛方法(DSMC)计算离散流场,采用可变软球(VSS)碰撞模型和Larsen and Borgnakke传能模型计算离散流分子间的能量传递,将计算结果与试验进行了对比,验证了计算方法的可靠性。研究结果表明,A器受到的侧向干扰力矩为62N·m,底部受到的最大压力为100Pa,最大热流密度为100k W/m2;B器受到的侧向干扰力矩为558 N·m,表面最大压力为8k Pa,最大热流密度为600k W/m2,喷口与导流装置顶面距离为400mm时,激波已移出喷管内部。 展开更多
关键词 计算流体力学-直接模拟蒙特卡洛耦合方法 真空羽流 地外天体起飞 力热效应
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月球探测器着陆过程羽流热效应数值模拟研究 被引量:1
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作者 张熇 吴成赓 +3 位作者 刘立辉 孙洁 贺碧蛟 蔡国飙 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期820-829,共10页
考虑到月球探测器着陆过程变推力发动机工作可能引发羽流热效应,通过差分求解N-S方程与直接模拟蒙特卡洛(DSMC)耦合的方法,针对探测器变推力发动机羽流的连续流区与稀薄流区进行了数值模拟,获得了着陆过程不同状态探测器表面的羽流气动... 考虑到月球探测器着陆过程变推力发动机工作可能引发羽流热效应,通过差分求解N-S方程与直接模拟蒙特卡洛(DSMC)耦合的方法,针对探测器变推力发动机羽流的连续流区与稀薄流区进行了数值模拟,获得了着陆过程不同状态探测器表面的羽流气动热流密度分布,分析了探测器在不同高度及坡度受到的羽流热效应,研究了探测器因落月惯性与发动机延时拖尾等特殊工况羽流气动热的影响程度。数值模拟结果表明,探测器受到的羽流气动热影响总体随着发动机出口与月面间距离减小而急剧增强,随着距离减小至0.434 m,热流密度最大值为429 kW/m^(2),而且月面坡度对羽流热效应有减弱作用。研究结果可为探测器关机策略的制定提供支撑,为探测器关键部位的热防护提供输入,为探测器整体的设计优化提供服务。 展开更多
关键词 月球探测器 着陆过程 真空羽流 羽流热效应
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基于羽流效应分析的航天器发动机布局设计研究
10
作者 王伟臣 石泳 +1 位作者 张健 郭娟 《航天器环境工程》 2014年第4期374-377,共4页
为解决由航天器姿控发动机等带来的羽流热效应问题,文章通过仿真得到了在不同的发动机布局下航天器表面的羽流热流密度分布情况,通过增大发动机的推力线角度和安装点高度,可以使得发动机羽流核心区远离航天器表面,从而降低喷流对航天器... 为解决由航天器姿控发动机等带来的羽流热效应问题,文章通过仿真得到了在不同的发动机布局下航天器表面的羽流热流密度分布情况,通过增大发动机的推力线角度和安装点高度,可以使得发动机羽流核心区远离航天器表面,从而降低喷流对航天器表面的加热效应。综合考虑控制力矩及推力损失、布局包络和发动机支架设计等因素,对某航天器发动机布局进行了优化设计及羽流热防护设计。 展开更多
关键词 航天器 真空羽流效应 发动机布局设计 仿真分析
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基于压敏漆的多羽流气动力效应试验研究 被引量:1
11
作者 吴靖 蔡国飙 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1080-1088,共9页
多股羽流相互作用会形成复杂流场形态的干扰羽流,为了对干扰羽流开展气动力效应试验研究,采用压敏漆(PSP)表面压力光学测量技术,对以常温空气为工质的单喷嘴羽流和双喷嘴干扰羽流撞击平板模型的气动力进行了高分辨率的全场测量,分析了... 多股羽流相互作用会形成复杂流场形态的干扰羽流,为了对干扰羽流开展气动力效应试验研究,采用压敏漆(PSP)表面压力光学测量技术,对以常温空气为工质的单喷嘴羽流和双喷嘴干扰羽流撞击平板模型的气动力进行了高分辨率的全场测量,分析了喷嘴和平板间不同入射距离和入射角对羽流气动力作用强度和范围的影响。试验结果表明,以高透氧聚合物为基层的压敏漆在羽流气动力测量中具有快速响应的特性,能分辨Pa级的微小压力变化。相对传统离散测压孔方法,压敏漆温度敏感度低,能捕捉大梯度的压力变化,准确描述羽流气动力效应。通过对比,发现干扰羽流对气动力具有明显增强作用,且增强作用随着入射距离的降低而减弱,干扰羽流的气动力不能直接用单股羽流的气动力进行线性叠加;羽流相互作用增强羽流返流,在航天器设计中需要考虑多股羽流相互作用后的羽流防护问题。 展开更多
关键词 真空羽流 干扰羽流 气动力效应 压敏漆(PSP) 压力增强
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地外天体起飞羽流导流气动力效应仿真 被引量:5
12
作者 苏杨 蔡国飙 +3 位作者 舒燕 叶青 张明星 贺碧蛟 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第7期1415-1423,共9页
探测器自地外天体采样返回过程中,发动机羽流作用于起飞平台后返流至起飞器表面,产生气动力效应及干扰力矩。针对圆锥形羽流导流结构,利用计算流体力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞器距离起飞平台200~700 mm,偏转角度0&#... 探测器自地外天体采样返回过程中,发动机羽流作用于起飞平台后返流至起飞器表面,产生气动力效应及干扰力矩。针对圆锥形羽流导流结构,利用计算流体力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞器距离起飞平台200~700 mm,偏转角度0°~5°范围内的羽流导流气动力效应进行了仿真计算。计算结果表明,随着上升距离增加和偏转角度增大,起飞器受到的力矩出现了反向增加现象,严重影响起飞稳定。研究发现,上述现象产生的主要原因为偏转角度增加时,起飞器距离起飞平台较远一侧的羽流与起飞平台作用点由圆锥导流结构逐渐偏移至平面位置,导致羽流作用于起飞平台后的流动方向由贴近起飞平台向侧面流动急剧转变为反弹至起飞器底面方向流动,从而使远离起飞平台的一侧所受力矩高于靠近起飞平台一侧,产生反向力矩。 展开更多
关键词 计算流体力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合 真空羽流 地外天体起飞 力热效应 导流装置
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Experiment of Hall thruster plume effects on different ground experimental conditions
13
作者 SU Yang CAI Guobiao +3 位作者 HE Bijiao SHANG Shengfei LIU Peng LIANG Wei 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第7期1568-1576,共9页
Reducing the influence of back-sputtering effect can effectively improve the accuracy of the measurement of the Hall thruster plume effect.Quartz crystal microbalance(QCM)was used to measure the deposition and sputter... Reducing the influence of back-sputtering effect can effectively improve the accuracy of the measurement of the Hall thruster plume effect.Quartz crystal microbalance(QCM)was used to measure the deposition and sputtering distribution of HET-40 thruster plume on two different experimental conditions:case1,using liquid nitrogen heat sinks and case 2,without using liquid nitrogen heat sinks.Meanwhile,X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)was used to analyze the composition of the QCM surface after two experiments.The results of the two experiments showed that the sputtering rate under the condition of case 1 was slightly higher than case 2.Especially within the range of 90°to 110°relative to the thruster axis,case 1 experiment result showed sputtering effect,while case 2 experiment showed deposition effect.Through analysis of the experimental results,it can be found that using liquid nitrogen heat sink to reduce the temperature of the inner wall surface of vacuum chamber can effectively adsorb the particles sputtered by the plume and reduce the concentration of back-sputtering particles,leading to the above phenomenon. 展开更多
关键词 vacuum exhaust plume SPUTTERING effect deposition effect HALL THRUSTER HET-40
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用于发动机羽流试验研究的液氦热沉设计 被引量:12
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作者 凌桂龙 王文龙 +1 位作者 蔡国飙 张建华 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第11期2630-2635,共6页
超低温大型卧式热沉采用液氦制冷,将在国内实现热沉表面温度低于10K,主要用于航天发动机羽流效应试验,同时兼顾卫星等热真空试验.热沉主体结构为卧式圆筒型,为减小热损失,液氦热沉去掉了骨架,外部装有液氮热沉,两者采用一体化设计,液氮... 超低温大型卧式热沉采用液氦制冷,将在国内实现热沉表面温度低于10K,主要用于航天发动机羽流效应试验,同时兼顾卫星等热真空试验.热沉主体结构为卧式圆筒型,为减小热损失,液氦热沉去掉了骨架,外部装有液氮热沉,两者采用一体化设计,液氮热沉既做液氦热沉的防辐射屏,又做液氦热沉的支撑.为增大抽速,舱体封头端设计了可拆卸的羽流吸附泵.羽流试验时液氦热沉、羽流吸附泵通液氦制冷,液氮热沉通液氮制冷,各部分热沉单独供液.对此大型热沉进行了方案设计、参数计算,对热沉预冷及稳态工况时的液氮、液氦消耗量进行了估算,分析了羽流试验时热沉抽气速率随试验工质温度的变化关系,得出液氦热沉对氮气的抽气速率可以达到107 L/s量级. 展开更多
关键词 真空 羽流效应 热真空试验 热沉 液氦热沉 液氮热沉 羽流吸附泵
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