基于RBCC的天地往返运载器动力方案研究

基于火箭基组合循环发动机(RBCC)的结构组成、工作过程和特点,结合某吸气式重复使用天地往返运载器所提出的动力需求,分析了采用RBCC组合循环发动机作为该运载器动力方案的可行性和动力系统指标,设计并计算了RBCC组合循环发动机在各个工作模态下的性能参数。针对相同的运载器使用要求,采用相同的总体和气动力参数,通过飞行弹道仿真,计算和比较了采用RBCC发动机和纯火箭发动机两种动力方案的天地往返运载器方案。研究结果表明,相对于纯火箭动力,采用RBCC动力能明显减小运载器的燃料消耗,并增大其航程。

重复使用天地往返运载器飞行弹道计算研究

介绍了应用于吸气式重复使用天地往返运载器的RBCC动力,根据动力学和运动学方程及地球物理方程式,利用数值积分方法,计算并比较了采用RBCC动力水平起飞、垂直起飞及纯火箭动力垂直起飞的运载器飞行弹道。计算结果表明,相比于纯火箭动力,RBCC动力有效地降低了运载器的燃料消耗量,但热环境明显要恶劣。

超声波吸收层在天地往返运载器热防护中的应用与研究

超声波吸收层能够抑制高超声速边界层中的第二模态波,延迟边界层转捩,从而降低天地往返运载器热防护系统的重量、成本和复杂度。为了研究超声波吸收层的吸波特性,建立了线性稳定性理论模型。首先,基于四阶龙格-库塔法,采用打靶方式,获得了高超声速边界层基本流。然后,将超声波吸收层的导纳引入稳定性方程边界条件,利用切比雪夫谱方法,求解时间模式下第二模态波的增长率。对于槽道构型超声波吸收层,模型预测结果与已有数据进行了对比,二者符合良好。在几何参数相同的情况下,圆孔构型超声波吸收层对应的第二模态波增长率整体上低于槽道构型。当微腔深度为0.3,微腔数量为6,两种构型超声波吸收层对应的第二模态波增长率具有最小值。第二模态波增长率的最小值出现在微腔数量最少的超声波吸收层上,这是由第二模态波在超声波吸收层顶部散射产生了新的高频扰动波所造成。

磁控热防护系统在天地往返运载器上的应用仿真

磁控热防护技术在高超声速领域显现出广泛的应用前景。考虑高超声速流动磁流体力学控制涉及的等离子体生成机制、多电离组分导电机理以及电磁流动能量/动量输运机制,通过耦合求解电磁场泊松方程和带电磁源项的高温热化学非平衡流动控制方程组,搭建了高超声速磁控热防护数值模拟平台。结合美国航天飞机"哥伦比亚"号(OV-102)近似外形和5种磁场配置方案,较为系统地开展了磁控热防护系统在高超声速"滑翔返回式"天地往返运载器上的应用仿真研究。结果表明:搭建的磁控热防护仿真平台具备偶极子磁场、均匀磁场、螺线管磁场及多个磁场组合条件下复杂外形飞行器气动热环境数值模拟能力,其校验结果与文献或飞行试验数据符合较好;采用合适的磁场配置能有效降低航天飞机的表面热流,显著改善了航天飞机的气动热环境,典型状态的表面热流下降25%以上;局部磁场方向与流动方向的夹角,在一定程度上决定了洛伦兹力的强度和方向,对磁控效果的影响明显。

用于单级入轨的三组元发动机参数优化

针对可重复使用的天地往返运载器运载任务 ,以三组元发动机的性能计算、分析为基础 ,以运载器的结构干质量为优化目标 ,对三组元发动机参数进行了优化分析。得到了对应于最小运载器干质量下的发动机最佳参数与发动机最佳模式转换时间 。