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真空羽流智能化计算研究

航空学报 2022年

作者：蔡国飙张百一贺碧蛟翁惠焱刘立辉北京航空航天大学宇航学院航天器设计优化与动态模拟教育部重点实验室

真空环境中，姿轨控发动机工作产生的高温高速的真空羽流会对航天器产生气动力、气动热、污染、电磁干扰和视场干扰等，影响航天器正常工作甚至任务成败。因此，真空羽流及其效应评估和防护是航天领域的关键科学和工程问题。直接模拟蒙...

真空环境中，姿轨控发动机工作产生的高温高速的真空羽流会对航天器产生气动力、气动热、污染、电磁干扰和视场干扰等，影响航天器正常工作甚至任务成败。因此，真空羽流及其效应评估和防护是航天领域的关键科学和工程问题。直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法是真空羽流数值模拟的主流方法，但DSMC是一种粒子模拟方法，非常耗时，严重制约了真空羽流及其效应的评估效率。本文提出了一种基于卷积神经网络的直接模拟蒙特卡洛（CNN-DSMC）方法。CNN-DSMC使用DSMC羽流数值模拟模型的几何拓扑信息、边界条件信息以及DSMC数值模拟得到的流场数据作为训练集，输入卷积神经网络进行训练，可得到高精度、高效率的真空羽流智能化计算模型，以此预测不同条件下的真空羽流流场。本文以月球探测器月面着陆过程中的真空羽流场为例，分别使用CNN-DSMC计算和DSMC数值模拟了在不同着陆高度条件下的真空羽流流场流速和密度。结果显示，两种方法结果基本一致，流场流速和密度的平均相对误差分别小于6.0%和8.8%。但与传统的DSMC方法相比，CNN-DSMC方法的计算速度提升至少4个量级，最快可达6个量级。因此，本文提出的CNN-DSMC方法在真空羽流数值模拟方面具有较强的应用潜力。

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背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

北京航空航天大学学报 2022年第10期48卷 1854-1862页

作者：翁惠焱蔡国飙郑鸿儒刘立辉张百一贺碧蛟北京航空航天大学宇航学院北京100083 北京航空航天大学航天器设计优化与动态模拟技术教育部重点实验室北京100083 长光卫星技术股份有限公司长春130000

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗... 详细信息

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。

关键词：电推进羽流背景压力粒子网络-直接模拟蒙特卡罗(PIC-DSMC)方法数值模拟

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氢氧发动机真空羽流干扰试验研究

北京航空航天大学学报 2019年第1期45卷 44-49页

作者：吴靖蔡国飙贺碧蛟福州大学机械工程及自动化学院福州350116 北京航空航天大学宇航学院北京100083

为了研究航天器发动机多股羽流产生的羽流干扰对流场结构及参数的影响,在北京航空航天大学真空羽流效应试验系统(PES)中,采用总压皮托管阵列对60 N氢氧模拟发动机单机羽流和双机干扰羽流的压力场进行了测量。试验结果表明:单机羽流流场... 详细信息

为了研究航天器发动机多股羽流产生的羽流干扰对流场结构及参数的影响,在北京航空航天大学真空羽流效应试验系统(PES)中,采用总压皮托管阵列对60 N氢氧模拟发动机单机羽流和双机干扰羽流的压力场进行了测量。试验结果表明:单机羽流流场压力随着轴向距离的增大而迅速降低;受到钟形喷管产生的压缩波束影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离喷管轴线;双机羽流干扰发生于两股发动机羽流主流之间的区域,干扰流的作用范围和强度随着轴向距离的增大而增大,干扰流压力最高可以达到单机羽流相同位置处压力的5倍以上;受到干扰流压缩波束边界的影响,同一轴向距离上的压力最大值逐渐偏离双发动机对称面。

关键词：真空羽流羽流干扰氢氧发动机压力场压缩波束

Taylor-Couette流的DSMC数值模拟

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北京航空航天大学学报 2010年第3期36卷 353-356页

作者：何小英贺碧蛟蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100191

使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况... 详细信息

使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况下,使用轴对称DSMC模型对Taylor涡进行数值模拟,所得Taylor涡的稳定过程与三维结果一致,验证了使用三维DSMC方法来解决微尺度低速的稀薄气流问题的可行性.三维模拟结果表明Taylor涡以较大的圆周速度绕轴旋转,二维模拟则无法体现.对不同的内圆柱旋转速度进行数值模拟,确定了能够产生Taylor涡的临界速度值.

关键词： Taylor涡直接模拟蒙特卡罗三维轴向排列

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微波在液体火箭发动机真空羽流中的衰减

航空动力学报 2013年第12期28卷 2849-2856页

作者：王虹玥唐振宇贺碧蛟蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100191

为研究液体火箭发动机真空羽流对微波的衰减作用，以某双组元液体火箭发动机为对象，使用热力计算程序对燃烧室内的电子数密度进行了计算，使用冻结假设和有限化学反应速率假设两种情况对喷管内带电粒子的电离和再结合过程进行了模拟... 详细信息

为研究液体火箭发动机真空羽流对微波的衰减作用，以某双组元液体火箭发动机为对象，使用热力计算程序对燃烧室内的电子数密度进行了计算，使用冻结假设和有限化学反应速率假设两种情况对喷管内带电粒子的电离和再结合过程进行了模拟，并对羽流中带电粒子数密度和5-30GHz微波穿过羽流的衰减量进行了估算.研究结果显示：该发动机燃烧室和喷管出口的电子数密度量级分别为 10^13-10^14cm-3和10^10-10^11cm-3，K，Na等碱金属为主要电子释放剂，Cl-，OH-等基团为主要电子吸收剂；低频微波在羽流中衰减更严重，5GHz微波的衰减可达4.5dB；微波斜穿羽流的衰减通常大于横穿情况.

关键词：微波衰减液体发动机羽流碱金属电子数密度

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直接模拟蒙特卡罗羽流模拟的两相作用模型

推进技术 2011年第2期32卷 214-219页

作者：何小英贺碧蛟蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100191

为了数值模拟包含气体分子和凝相颗粒的两相羽流场,使用自主开发的羽流计算软件(PWS)对两相作用模型进行研究。计算均匀气流对颗粒的加速过程,结果与理论解一致,证明气体分子对颗粒的单向作用模型合理。计算气体分子在颗粒表面的反射时... 详细信息

为了数值模拟包含气体分子和凝相颗粒的两相羽流场,使用自主开发的羽流计算软件(PWS)对两相作用模型进行研究。计算均匀气流对颗粒的加速过程,结果与理论解一致,证明气体分子对颗粒的单向作用模型合理。计算气体分子在颗粒表面的反射时,将全局坐标系转换到颗粒坐标系确定其法线,再转换到法线坐标系进行镜面反射或漫反射。将这种间接法与使用反射向量的分布函数的直接法进行了对比。对同一个气体分子在颗粒表面的反射进行1×106次数值试验,两种方法所得镜面反射的速度向量均符合空间均匀分布,漫反射的速度向量分布相互一致。使用两种方法模拟150N液体火箭发动机的两相羽流场,所得气相羽流场几乎相同,间接法计算效率较高。液滴颗粒对气流场的影响主要集中在轴线附近,与无液滴的气流场相比,有液滴时会使气流温度升高、压强增大、马赫数减小。

关键词：直接模拟蒙特卡罗两相羽流场气体-表面反射漫反射镜面反射

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稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

北京航空航天大学学报 2005年第9期31卷 1009-1013页

作者：贺碧蛟张建华蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100083

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及... 详细信息

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1m,0.5m及1.0m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.

关键词：等离子体动力学等离子体发动机稳态等离子体推进器羽流粒子网格法直接模拟蒙特卡洛法

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三维多组分羽流及其效应的数值模拟

北京航空航天大学学报 2010年第2期36卷 154-158页

作者：张建华贺碧蛟蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100191

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽... 详细信息

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽流场及其效应进行数值模拟,计算得出羽流场的物理参数分布、化学组分分布,得到了羽流对太阳能帆板的羽流气动力和气动热效应.计算结果表明对于太阳能帆板的羽流效应防护应以N2,NH3为主,姿控发动机羽流会对太阳能帆板撞击产生气动力和气动热的影响,在太阳能帆板前沿中点处,存在气动压强峰值和气动热流峰值.计算结果为研究羽流效应提供了参考依据.

关键词：卫星姿控发动机多组分真空羽流三维数值模拟

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轴对称羽流流场数值模拟和实验验证

北京航空航天大学学报 2011年第5期37卷 524-527页

作者：张建华贺碧蛟蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100191

针对在轨航天器羽流效应对航天器整体寿命的影响,在"DFH"系列卫星姿控发动机喷管羽流实验研究的基础上,建立喷管的轴对称模型,选取矩形计算区域,设定一定的边界条件和计算条件,采用轴对称单组分直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation... 详细信息

针对在轨航天器羽流效应对航天器整体寿命的影响,在"DFH"系列卫星姿控发动机喷管羽流实验研究的基础上,建立喷管的轴对称模型,选取矩形计算区域,设定一定的边界条件和计算条件,采用轴对称单组分直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation MonteCarlo)方法对相应实验状态的羽流流场进行数值模拟研究.通过对比数值模拟结果和实验测量结果,表明DSMC数值模拟羽流流场的计算结果符合实际流动规律,实验验证了所编制的轴对称DSMC数值模拟程序的正确性和有效性.

关键词：姿控发动机羽流数值模拟实验验证