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固体火箭发动机羽流时空谱特性研究

固体火箭发动机羽流时空谱特性研究

作者：王志博东南大学

学位级别：硕士

随着现代战争对武器系统在远程化、机动性等方面的要求越来越高,以导弹为主的精确制导武器在现代战争中发挥着重要的作用,对战争过程和结果起着决定性的影响。固体推进剂作为火箭发动机的动力源,可显著提高武器的生存能力和作战使用能力... 详细信息

随着现代战争对武器系统在远程化、机动性等方面的要求越来越高,以导弹为主的精确制导武器在现代战争中发挥着重要的作用,对战争过程和结果起着决定性的影响。固体推进剂作为火箭发动机的动力源,可显著提高武器的生存能力和作战使用能力,因此在军事领域、航天领域和民用领域都得到了广泛应用。关于空间目标的探测,目前主要来说主要有四种,分别为:雷达探测、紫外探测、可见光探测以及红外探测。发动机羽流作为主要的辐射来源,是红外探测的主要探测目标。本文以固体火箭发动机羽流为主要研究对象,结合羽流流场模拟计算所得的流场参数以及辐射传输计算模型,分析了不同飞行状态下固体火箭发动机羽流流场特性以及辐射特性的规律,本文的主要工作如下:首先建立了固体火箭发动机羽流流场数值仿真的物理模型。根据基于层流有限速率反应的羽流复燃反应模型,进而通过模拟仿真获得了二维轴对称羽流流场物理参数,包括温度分布、压强分布以及组分浓度分布等,这些流场参数为之后计算羽流流场光谱辐射强度提供了基础数据。其次建立了羽流光谱辐射传输计算模型。基于HITEMP数据库利用全光谱K分布模型计算了火箭发动机羽流在波长范围为1.5-5.58)8)范围内的高温气体辐射物性,同时利用Mie理论计算了高温粒子的辐射物性。在此基础上,结合广义源项有限体积法建立了羽流光谱辐射传输模型。对比参考文献的模拟仿真结果,验证了本文物理模型以及辐射传输模型的正确性。最后,采用控制变量的方法,通过改变飞行高度、来流马赫数及飞行轨迹等条件下的参数,分析了其对羽流膨胀程度、羽流核心区域温度以及组分分布的影响因素及变化规律。结合建立的辐射传输计算模型,得出了不同飞行状态下羽流流场整体光谱辐射强度随波长的变化规律,继而分析了随着飞行高度、来流马赫数以及飞行状态下,羽流整体光谱辐射强度以及局部辐射强度的变化规律。基于建立的辐射传输模型,探究随着探测角度的增加,固体火箭发动机羽流光谱辐射强度的变化趋势。

关键词：固体火箭发动机发动机羽流光谱辐射强度广义源项有限体积法

月球着陆器发动机羽流和月壤颗粒相互作用的双向耦合数值模拟

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月球着陆器发动机羽流和月壤颗粒相互作用的双向耦合数值模拟

作者：李阳天津大学

学位级别：硕士

在月球着陆器着陆过程中,发动机喷出的羽流冲击月表,会将月壤颗粒从月表扬起,并使其加速向周围运动。弥漫的颗粒会降低能见度、磨损构件、使密封失效、危害宇航员生理健康,对着陆器的稳定着陆及月表探测任务产生诸多不利影响。羽流与月... 详细信息

在月球着陆器着陆过程中,发动机喷出的羽流冲击月表,会将月壤颗粒从月表扬起,并使其加速向周围运动。弥漫的颗粒会降低能见度、磨损构件、使密封失效、危害宇航员生理健康,对着陆器的稳定着陆及月表探测任务产生诸多不利影响。羽流与月壤颗粒的相互作用是亟待解决的关键问题。由于颗粒的空间分布十分广泛,并且浓度十分可观,颗粒对羽流的作用是关键影响因素。因此,双向耦合计算方法是数值研究此羽流与月壤颗粒相互作用问题的关键。本文发展了羽流与月壤颗粒相互作用的宏观双向耦合方法。该方法是指羽流对颗粒的宏观气动力和热传递改变了颗粒的速度和温度;同时,羽流的宏观速度和温度也随颗粒的影响而变化。羽流的宏观速度是气体分子的平均速度,宏观温度是气体分子热运动速度和内能的度量。本文根据动量和能量守恒定律,将羽流损失的动量和能量作用于直接模拟蒙特卡罗方法(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)气体模拟分子的平均速度、热运动速度和内能,实现了羽流与月壤颗粒的宏观双向耦合。宏观双向耦合计算结果表明,月壤颗粒呈喷射状分布,主要分布于月表上空,月表附近较少。颗粒直径对其运动特性和空间分布有较大影响,颗粒直径越小,运动速度越大,空间分布越广,喷射角度越大。与未考虑颗粒影响的单向耦合方法计算结果相比,颗粒速度平均降低41.5%,喷射角度平均降低1.99°。因此,双向耦合的计算方法考虑了月壤颗粒对羽流的影响,对颗粒的运动引起了不能忽略的重要影响。进一步,本文采用微观双向耦合方法对月壤颗粒的运动特性和空间分布进行了计算,并与宏观双向耦合方法进行了对比。微观双向耦合方法基于气体分子与颗粒的碰撞过程,通过考虑气体分子在颗粒表面碰撞前后的动量和能量传递确定颗粒速度和温度变化,并通过考虑气体分子在颗粒表面的反射实现颗粒对气体的影响。微观与宏观双向耦合方法的结果相比存在一定差异。相比宏观方法,微观方法计算得到的月壤颗粒沿着月表低速流区向远场运动。颗粒速度平均降低60.55%,喷射角度平均降低0.42°。最后,将本文的计算结果与阿波罗历次任务的光学估算结果进行了比较。结果表明,宏观双向耦合计算方法得到的喷射角度与数密度结果与估算数据更加吻合,验证了本文宏观双向耦合计算方法的可靠性。因此,双向耦合是羽流与月壤颗粒相互作用问题研究中不能忽略的重要影响因素。

关键词：月壤颗粒发动机羽流双向耦合方法 DSMC方法真空环境

航天器发动机羽流对太阳电池板力及热效应仿真

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航天器环境工程 2008年第6期25卷 533-537,497-498页

作者：张健石泳中国空间技术研究院北京100094

文章将差分求解N-S方程与DSMC方法相结合,研究了航天器单台发动机连续工作时的真空羽流对航天器太阳电池板的力效应和热效应。通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场;再以内流场计算结果作为模拟粒子入口边界条件,应用DSMC方法,在并... 详细信息

文章将差分求解N-S方程与DSMC方法相结合,研究了航天器单台发动机连续工作时的真空羽流对航天器太阳电池板的力效应和热效应。通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场;再以内流场计算结果作为模拟粒子入口边界条件,应用DSMC方法,在并行计算机平台上进行三维羽流场和力及热效应计算,得到航天器单发动机连续工作情况下羽流场对太阳电池板的力效应和热效应。文章以太阳电池板处于斜45°状态为例,对仿真结果进行了分析。

关键词：发动机羽流太阳电池板羽流力效应羽流热效应

地外天体软着陆过程羽流扬尘特性研究现状及展望

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宇航学报 2024年第7期45卷 983-994页

作者：张海燕李得天王鹢李存惠张伟张小平王永军兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000 空间环境与物质作用全国重点实验室哈尔滨150001 北京空间飞行器总体设计部北京100094 澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室中国澳门999078

地外天体软着陆过程中,反推发动机羽流作用于天体表面风化层诱发的侵蚀扬尘是影响软着陆安全的最主要因素。首先对羽流扬尘现象的物理过程、侵蚀机制研究现状进行梳理总结,总结出侵蚀机制主要包括粘性剪切侵蚀、扩散气体喷发、承载力破... 详细信息

地外天体软着陆过程中,反推发动机羽流作用于天体表面风化层诱发的侵蚀扬尘是影响软着陆安全的最主要因素。首先对羽流扬尘现象的物理过程、侵蚀机制研究现状进行梳理总结,总结出侵蚀机制主要包括粘性剪切侵蚀、扩散气体喷发、承载力破坏和扩散驱动流动4种;其次,对部分探月和探火任务的在轨侵蚀结果、仿真模型和经验公式的研究现状进行研究分析,得出月球表面和火星表面因背景压力和风化层物质特性差异会产生不同的侵蚀机制,而在相同条件下的侵蚀机制也会随发动机个数和总推力的变化而变化,有必要对物理机理和扬尘特性进行进一步细化研究;最后,结合未来地外天体软着陆任务需求,提出了羽流扬尘原位测量、仿真预测模型和羽流扬尘消除3种用于未来探测任务羽流扬尘预测和防护的关键技术,以期对未来软着陆任务顺利执行起到一定的保障作用。

关键词：地外天体软着陆发动机羽流侵蚀扬尘侵蚀机制软着陆安全

固发羽流流场及辐射特性随飞行状态的变化规律

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东南大学学报（自然科学版） 2021年第6期51卷 1040-1048页

作者：王志博宋兆龙张彪李健许传龙东南大学能源与环境学院南京210096 东南大学火电机组振动国家工程研究中心南京210096

为了探讨火箭不同飞行状态对发动机羽流流场结构及辐射特性的影响,对不同飞行高度、来流马赫数以及实际飞行轨迹进行了研究,分析了流场的温度分布以及辐射特性的规律.首先利用FLUENT模拟了不同飞行状态下固体火箭发动机羽流复燃流场,然... 详细信息

为了探讨火箭不同飞行状态对发动机羽流流场结构及辐射特性的影响,对不同飞行高度、来流马赫数以及实际飞行轨迹进行了研究,分析了流场的温度分布以及辐射特性的规律.首先利用FLUENT模拟了不同飞行状态下固体火箭发动机羽流复燃流场,然后分别使用Mie理论和HITEMP数据库结合全光谱K分布模型计算了羽流的固相和气相辐射物性参数,最后通过广义源项有限体积法计算了不同飞行状态下固发羽流在波长范围为1.5~5.5μm下的光谱辐射强度.结果表明:在来流马赫数相同时,随着飞行高度的增加,羽流辐射强度也随之增加;而在同一飞行高度下,来流马赫数增加时,羽流辐射强度会随之减小;在模拟火箭的实际飞行过程中,随着时间的推移羽流辐射强度随之减小,达到一定飞行高度后,羽流复燃效应不明显,羽流辐射强度变化趋于平缓.

关键词：固体火箭发动机发动机羽流光谱辐射强度广义源项有限体积法

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空间站空空支架天线热设计与仿真分析

航天器环境工程 2021年第6期38卷 625-631页

作者：南江红师雪丽石同武刘建坤李昌龙上海航天电子技术研究所上海201100

为研究核心舱飞行姿态、空间外热流、核心舱发动机羽流参数以及天线外表面热控涂层对空间站空空支架天线温度的综合影响,验证天线被动热控设计的有效性,进行了2种低温工况和6种高温工况的热分析。结果显示:低温工况下,通信天线惯性飞行... 详细信息

为研究核心舱飞行姿态、空间外热流、核心舱发动机羽流参数以及天线外表面热控涂层对空间站空空支架天线温度的综合影响,验证天线被动热控设计的有效性,进行了2种低温工况和6种高温工况的热分析。结果显示:低温工况下,通信天线惯性飞行时的最低温度低于正向飞行时的;展开臂多层表面最低温度为-85℃,满足温控指标。高温工况下,通信天线惯性飞行时的温度高于正向飞行时的;轨控发动机的羽流热效应大于偏航发动机的。通信天线内外表面均喷涂ACR-1温控白漆,1倍轨控发动机羽流热流密度时,最高温度为123℃,可满足实际使用要求。

关键词：空空支架天线发动机羽流热设计仿真分析

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载人月面着陆及起飞技术初步研究

航天返回与遥感 2013年第4期34卷 10-16页

作者：果琳丽王平梁鲁田林西北工业大学宇航学院西安710000 中国空间技术研究院载人航天总体部北京100094

载人登月任务中最具特色的就是载人月面着陆及起飞过程,其技术体系丰富,是影响载人登月任务成败的关键环节。文章详细分析了载人月面着陆及起飞阶段的飞行方案,阐述了载人任务与无人任务设计准则上的区别,剖析了载人月面着陆及起飞技术... 详细信息

载人登月任务中最具特色的就是载人月面着陆及起飞过程,其技术体系丰富,是影响载人登月任务成败的关键环节。文章详细分析了载人月面着陆及起飞阶段的飞行方案,阐述了载人任务与无人任务设计准则上的区别,剖析了载人月面着陆及起飞技术的内涵。此外重点分析了低温推进剂蒸发量控制技术、10∶1深度变推力液体发动机技术、发动机推力矢量控制技术、大承载着陆缓冲技术、发动机羽流导流与防护技术、月尘清除及防护技术等六项与载人登月舱推进系统和结构系统相关的关键技术,分析提出了相应的技术途径和解决方案,对深入认识载人登月飞行器系统的技术体系及技术难度具有重要意义。

关键词：载人登月变推力发动机着陆缓冲月面起飞发动机羽流月尘清除

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空间次生环境研究及探测方法概述

航天器环境工程 2014年第2期31卷 217-222页

作者：院小雪刘国青易忠杨东升刘业楠臧卫国于钱黄建国北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室北京100094

文章基于空间次生环境及其效应定义,分别结合不同次生环境阐述了国内外在磁场作用下带电粒子对航天器的影响、航天器非金属材料出气的影响、航天器与空间等离子体相互作用影响、航天器发动机羽流效应和航天器舱内电子环境及效应等的研... 详细信息

文章基于空间次生环境及其效应定义,分别结合不同次生环境阐述了国内外在磁场作用下带电粒子对航天器的影响、航天器非金属材料出气的影响、航天器与空间等离子体相互作用影响、航天器发动机羽流效应和航天器舱内电子环境及效应等的研究状况,并有针对性地开展了典型的发动机羽流效应、放电监测系统和航天器自身磁场分布探测研究。

关键词：空间次生环境发动机羽流航天器放电舱内电子环境空间磁场分布在轨探测