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微重力下火箭推进系统液氧贮箱内气泡脱离半径研究

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空间科学学报 2024年第1期44卷 122-132页

作者：李文韬黄文昊梁国柱北京航空航天大学宇航学院北京102206

研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础.与常重力和低重力环境不同,微重力下Marangoni效应变得突出.为了求解气泡脱离半径,构建包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、黏性阻力和Marangon... 详细信息

研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础.与常重力和低重力环境不同,微重力下Marangoni效应变得突出.为了求解气泡脱离半径,构建包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、黏性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型.针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题,依托数值仿真方法,拟合得到了更精确的修正因子计算公式,进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围.使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.3 MPa下的饱和液氧物性参数,计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系.结果表明,气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分.微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡,而低重力区内只能形成0.1 mm级的小气泡.相比之前的模型,本文模型可以同时适用于三个区,更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性,可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑.

关键词：微重力液氧贮箱池沸腾气泡动力学 Marangoni效应气泡脱离半径

复合坐标系跨临界液滴表面Kelvin-Helmholtz不稳定增长高效预测方法

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北京航空航天大学学报 2024年第9期50卷 2835-2842页

作者：崔海港闫啸宇高岩飞陈飞杨世春北京航空航天大学交通科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191 山东交通学院汽车工程学院济南250399

针对混合动力专用内燃机实际运行的跨临界条件,传统方法对于主导可燃混合气形成质量的液滴表面Kelvin-Helmholtz不稳定性分析方法难以实现跨临界宽范围的有效预测。采用复合坐标系方法,建立跨临界强对流环境的等效液滴不稳定性高效预测... 详细信息

针对混合动力专用内燃机实际运行的跨临界条件,传统方法对于主导可燃混合气形成质量的液滴表面Kelvin-Helmholtz不稳定性分析方法难以实现跨临界宽范围的有效预测。采用复合坐标系方法,建立跨临界强对流环境的等效液滴不稳定性高效预测模型,分别采用全局扩散动力学模型、热力学控制模型及局部液滴表面切向不稳定模型。在全局坐标系模型可以通过模态坐标变换求得解析解,局部坐标系引入势函数等,提高求解速度。而对于可实用性流体计算仿真模型,可通过无量纲物理参数描述不同跨临界条件下空气动力、惯性力、黏性力、表面张力、加速度等控制因素的变化规律,以及其对液滴表面切向和法向不稳定波增长的影响规律。结果表明:液滴表面的空气动力仍然支配着跨临界条件液滴表面切向不稳定波的发展;压力增大时,液相雷诺数控制的流动特性减小与欧尼索控制的液滴黏性力减弱基本抵消;环境温度增加时,雷诺数表征的流动特性对Kelvin-Helmholtz波增长的贡献越来越小,液滴的惯性力影响也越来越弱。

关键词：复坐标系跨临界液滴表面Kelvin-Helmholtz不稳定高效预测

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Al和Ti含量对激光熔炼Al_(x)NbTi_(y)V轻质高熵合金组织与性能的影响

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材料工程 2024年第1期52卷 137-145页

作者：李子兴朱言言程序张言嵩高红卫霍海鑫北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京100191 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室北京100191 北京航空航天大学宁波创新研究院浙江宁波315800 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

轻质高熵合金在结构材料轻量化方面显示出巨大的应用价值,激光熔炼和激光增材制造技术因其极端冶金条件,为高熵合金研制提供了新思路。采用激光熔炼技术制备Al_(x)NbTiV(x=0.5~7)和AlNbTi_(y)V(y=1~7)纽扣试样,并对其相结构、显微组织... 详细信息

轻质高熵合金在结构材料轻量化方面显示出巨大的应用价值,激光熔炼和激光增材制造技术因其极端冶金条件,为高熵合金研制提供了新思路。采用激光熔炼技术制备Al_(x)NbTiV(x=0.5~7)和AlNbTi_(y)V(y=1~7)纽扣试样,并对其相结构、显微组织和硬度进行了系统研究。结果表明:Al含量对合金相结构和显微组织有显著影响,Al含量低(x≤2)时,Al_(x)NbTiV合金由BCC单相固溶体组成;Al含量高(2

关键词：激光熔炼高熵合金成分变化显微组织相结构硬度

面向核事故应急处置的遥操作系统设计与实验研究

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系统工程与电子技术 2024年第5期46卷 1607-1618页

作者：李航侯彦朋丑武胜孟令达北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对核事故现场的物理屏蔽严重、应急处置作业条件复杂、作业对象不明确等特点,研究并设计了一款基于动态自组网的机器人遥操作系统。在自组织网络实时Mesh保持良好通讯的情况下,利用叠加在真实回传视频中的虚拟模型,提出一种基于空间... 详细信息

针对核事故现场的物理屏蔽严重、应急处置作业条件复杂、作业对象不明确等特点,研究并设计了一款基于动态自组网的机器人遥操作系统。在自组织网络实时Mesh保持良好通讯的情况下,利用叠加在真实回传视频中的虚拟模型,提出一种基于空间梯度的人工势场力觉引导算法。操作者可通过观察视觉交互系统中模型的变化和感受施加在自研主手的引导力,提高时延条件下的操作效率和临场感。实验表明,核辐射条件下遥操作系统130 m的通讯时延在30 ms以下,可满足视频传输的带宽要求。力觉引导下的物体避障抓取实验验证了算法的可行性和遥操作系统的工程实用性。因此,本文设计的基于动态自组网的机器人遥操作系统,可使操作者以更加直观自然的方式参与到遥操作系统中,有效提高操作员完成复杂遥操作任务的安全性和操作性能。

关键词：核事故遥操作系统自组织网络力觉引导临场感

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边界层理论研究进展综述

中国科学：技术科学 2024年第6期54卷 979-1002页

作者：陶智马遥由儒全李海旺北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191

本文回顾了边界层理论提出至今120多年内的重要发展历程,梳理了边界层理论的发展脉络,总结了在边界层测试、边界层求解以及工程应用等方面的发展情况.Prandtl最开始提出的平板边界层理论从物理概念上解释了物体绕流的摩擦阻力现象,解决... 详细信息

本文回顾了边界层理论提出至今120多年内的重要发展历程,梳理了边界层理论的发展脉络,总结了在边界层测试、边界层求解以及工程应用等方面的发展情况.Prandtl最开始提出的平板边界层理论从物理概念上解释了物体绕流的摩擦阻力现象,解决了困扰多年的d'Alembert悖论.随着航空工业的发展,人们开始对边界层流动稳定性理论、湍流边界层、可压缩边界层、高速边界层、温度边界层、旋转边界层等概念进行拓展研究.在求解边界层方面,诞生了级数解法、积分法、渐进展开法和差分法等经典的数值求解方法;随着工程应用的需求,也发展了半理论半经验的解析方法求解湍流边界层.在测试技术方面从最初的Preston管测试逐渐转变为以热线风速仪为主要测试手段.同时本文还从航空航天飞行器高速、旋转和强换热的特点,介绍了高超声速边界层、旋转边界层和温度边界层方面较为前沿的研究成果,供快速掌握边界层理论的发展历程和今后的发展方向.

关键词：边界层高超声速旋转温度研究进展

“冯如三号”高效超长航时无人滞空平台的设计与实践

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实验技术与管理 2024年第4期41卷 185-192页

作者：邱玉婷王耀坤张益铨李淼刘绚北京航空航天大学北航学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

超长航时无人滞空平台具有成本低、连续侦察能力强等特点,是未来新型飞行器的发展方向。该“冯如三号”高效超长航时无人滞空平台设计方案由该校本科生提出,采用了超高效气动布局、轻量化高强度复合材料、高效高可靠双环动力系统驱动及... 详细信息

超长航时无人滞空平台具有成本低、连续侦察能力强等特点,是未来新型飞行器的发展方向。该“冯如三号”高效超长航时无人滞空平台设计方案由该校本科生提出,采用了超高效气动布局、轻量化高强度复合材料、高效高可靠双环动力系统驱动及持久滞空飞行控制系统,通过车载起飞方式,在执行超长航时任务能力方面取得了全方位创新性突破。“冯如三号”高效超长航时无人机刷新了国际航联认证的“25~100 kg级油动无人机续航时间”世界纪录。

关键词：超长航时无人机世界纪录本科生

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基于油冷叶片的涡轮叶间燃烧性能研究

航空动力学报 2024年第6期39卷 143-153页

作者：卿黎明朱剑琴程泽源北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191

为进一步提升航空燃气涡轮发动机性能,提出一种高压涡轮叶间燃烧的结构,采用叶片油冷后的高温燃油喷入叶间通道燃烧,利用径向槽(radial vane cavity,RVC)稳定火焰,以涡轮导向叶片C3X为叶间燃烧叶片模型,数值研究了径向槽尺寸(深长比为0.... 详细信息

为进一步提升航空燃气涡轮发动机性能,提出一种高压涡轮叶间燃烧的结构,采用叶片油冷后的高温燃油喷入叶间通道燃烧,利用径向槽(radial vane cavity,RVC)稳定火焰,以涡轮导向叶片C3X为叶间燃烧叶片模型,数值研究了径向槽尺寸(深长比为0.4~0.6)、油气比(0.007~0.0105)和燃油温度(300~500 K)对叶间燃烧性能的影响。结果表明:径向槽深长比为0.5时获得最佳燃烧效果,由燃烧引起的热阻损失在7%左右,可实现在叶间的近似等温燃烧;叶间燃烧性能随油气比增大而降低,油气比为0.007时距叶片出口20 mm处燃烧效率达到98.86%;高温燃油在叶间通道内燃烧性能要明显优于低温燃油的燃烧性能,在叶片出口处燃烧效率提升约13%。相关结论可为叶间燃烧技术的发展提供参考。

关键词：涡轮叶间燃烧油冷叶片高温燃油径向槽燃烧性能超紧凑燃烧

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SiC界面热化学反应演化响应机理研究

空气动力学学报 2024年第4期42卷 96-104,I0002页

作者：曹盈菲叶致凡汤巨赵瑾文东升北京航空航天大学国际通用工程学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

超高温陶瓷是保障飞行器在极端热环境下安全服役的理想热防护材料之一,其中SiC组分由于其优异的力热性能已成为陶瓷基体或抗氧化涂层领域的研究热点。但由于目前尚未能清晰认知其在高温边界层内界面热响应演化的复杂机理,限制了其热防... 详细信息

超高温陶瓷是保障飞行器在极端热环境下安全服役的理想热防护材料之一,其中SiC组分由于其优异的力热性能已成为陶瓷基体或抗氧化涂层领域的研究热点。但由于目前尚未能清晰认知其在高温边界层内界面热响应演化的复杂机理,限制了其热防护性能设计的进一步提升。为在微观尺度上研究SiC复杂界面演化及热响应机制提供新的可能,采用基于反应力场的反应分子动力学模拟方法,模拟了SiC界面的高温演化过程,并探究了界面在温度和压强变化下的热响应机理,包括热氧化反应及升华等;计算了典型工况下SiC界面的氧化反应速率、升华速率及烧蚀速率,并将计算获得的烧蚀后退速率结果与文献实验结果进行了对比,发现误差在10%以内,进一步验证了该方法在材料界面热化学反应定量计算方面应用的可行性。

关键词：反应分子动力学高温界面 SiC 热防护材料烧蚀

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基于横截函数的欠驱动航天器姿态跟踪方法

航空学报 2024年第1期45卷 29-39页

作者：段超邵小东胡庆雷吴淮宁北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 天目山实验室杭州310023

针对航天器姿态跟踪任务,考虑一种配置2个独立动量交换型执行机构的欠驱动航天器,提出了一种基于横截函数的任意姿态轨迹跟踪控制律。利用三维特殊正交群SO(3)建立航天器姿态运动学方程,并基于动量守恒条件,将动力学方程与运动学统一写... 详细信息

针对航天器姿态跟踪任务,考虑一种配置2个独立动量交换型执行机构的欠驱动航天器,提出了一种基于横截函数的任意姿态轨迹跟踪控制律。利用三维特殊正交群SO(3)建立航天器姿态运动学方程,并基于动量守恒条件,将动力学方程与运动学统一写成以执行机构输出角动量为控制输入的降阶系统。利用横截条件与Lie代数秩条件构造基于SO(3)的横截函数,其本质为能够任意逼近平衡点的一个嵌入子流形,并基于横截函数与姿态误差建立降阶跟踪控制系统的伴随系统。针对伴随系统,提出了一种光滑静态反馈控制律,利用Morse函数证明了对于任意轨迹闭环系统的最终有界稳定性。进一步针对可行轨迹,基于零动态系统设计了横截函数的参数自调整律,使得在零动态时横截函数趋近跟踪系统的平衡点,证明了闭环系统具有指数稳定性。最后,通过数值仿真验证了提出控制器的有效性。

关键词：欠驱动航天器姿态控制 Lie群横截函数可行轨迹

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