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微通道内低马赫数气体的流动与换热特性理论研究

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推进技术 2022年第5期43卷 216-227页

作者：王子豪梁国柱北京航空航天大学宇航学院北京102206

微通道换热器由于换热系数高、质量小等优点,在微电子系统与航空航天等领域具有极大的应用价值,但截至目前人们对微通道内流体的流动与换热特性仍知之甚少。本文针对平行平板式微通道,在连续介质区、低马赫数以及粘性热可忽略的情形下,... 详细信息

微通道换热器由于换热系数高、质量小等优点,在微电子系统与航空航天等领域具有极大的应用价值,但截至目前人们对微通道内流体的流动与换热特性仍知之甚少。本文针对平行平板式微通道,在连续介质区、低马赫数以及粘性热可忽略的情形下,采用分离变量法导出并简化了均匀热流边界条件下变物性气体的二维层流流动与换热过程的控制方程,进而计算得到了气体速度、压力、温度在通道内的分布规律,上述计算结果与对原始控制方程进行高精度直接数值求解的结果之间具有较好的一致性。研究结果表明:当马赫数小于0.3时,微通道的尺寸效应使得任一横截面上变物性气体的流动和换热参数分布与常物性下的分布存在相似性,气体密度沿通道长度方向的变化不对摩擦系数和努塞尔数的沿程分布造成显著影响;在给定通道结构和进出口参数的情况下,通道内气体密度的减小和流速的增大不能提高对流换热系数,对流换热系数可通过经典理论予以计算;相比常规尺寸通道,微通道内气体的加速过程更加显著,粘性切应力对加速过程起主导作用,并随马赫数的增大而增大;摩擦损失是气体在微通道内损失的主要部分。相关工作可为微通道换热器设计与高马赫数下流动特征的研究提供参考。

关键词：微通道流动换热分离变量法有限体积法

液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热计算研究

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推进技术 2022年第1期43卷 233-239页

作者：杨成骁王长辉徐绍桐北京航空航天大学宇航学院北京100191

为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果。研究表明,两种... 详细信息

为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果。研究表明,两种计算模型均可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热。三维模型计算精度高,但计算用时较长。计算得到的航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为162.2MW/m2,最高壁温为1159.7K,冷却剂温升为244.0K,压降为8.5MPa。准二维模型计算结果精度略有降低,但计算时间较三维模型减小了90%。四个参数与三维模型计算结果的差异分别为0.3%,4.4%,8.6%和4.5%,在可接受范围内。本文的准二维模型计算时间短,适用于液体火箭发动机再生冷却结构的方案筛选和优化设计,三维模型计算精度高,适用于设计完成后的校核计算。

关键词：液体火箭发动机再生冷却准二维模型三维模型数值模拟

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双小行星探测轨道动力学研究进展

力学学报 2022年第5期54卷 1155-1185页

作者：王悦伏韬张瑞康北京航空航天大学宇航学院北京102206

双小行星系统由在万有引力作用下彼此环绕的两颗小行星组成,对研究太阳系起源、行星系统演化和行星防御都具有重要的价值,近年来成为行星科学和航天动力学研究的热门对象,对双小行星系统的原位探测也即将迎来热潮.双小行星系统的独特构... 详细信息

双小行星系统由在万有引力作用下彼此环绕的两颗小行星组成,对研究太阳系起源、行星系统演化和行星防御都具有重要的价值,近年来成为行星科学和航天动力学研究的热门对象,对双小行星系统的原位探测也即将迎来热潮.双小行星系统的独特构型和附近的复杂动力学环境为探测器轨道动力学和任务设计带来了全新的挑战,为应对这些挑战所进行的研究也推动了轨道动力学基础理论的发展.本文对双小行星探测轨道动力学的研究进展进行综述,首先介绍了双小行星研究和探测的背景及意义,简要阐述了双小行星系统形成理论及其附近轨道动力学的研究概况.其次,介绍了双小行星系统不规则引力场和相互引力势的建模方法,进而展示了双星的姿态轨道耦合动力学,即完全二体问题,包括双星相对运动的平衡构型和稳定性.接着,介绍了描述双星附近探测器轨道运动的限制性完全三体问题的动力学模型,以及该模型下的平动点、平动点周期轨道、大范围周期轨道、转移轨道和轨道维持等方面的研究进展.第四部分综述了环绕双小行星系统单颗星的受摄二体问题,以轨道摄动理论和行星系统中受摄二体问题的研究现状为背景,介绍了环绕双小行星系统主星的半解析轨道动力学建模与轨道稳定性分析.之后,介绍了目前面向探测任务需求和考虑实际约束的轨道动力学研究和轨道设计.最后,基于目前研究进展,分析了面临的若干问题,对未来双小行星探测轨道动力学及相关技术的发展进行了讨论和展望.

关键词：双小行星系统完全二体问题限制性三体问题受摄二体问题任务轨道设计

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各推力级霍尔推力器研究现状与展望

航空动力学报 2022年第12期37卷 2782-2796页

作者：刘洋张晓天北京航空航天大学宇航学院北京100191

介绍了霍尔推力器原理的基础上,推导分析了霍尔推力器推力的影响因素,总结了改变其推力的主要方法。概述了微牛级、毫牛级和牛级等不同推力级适用的航天任务类型,按照3个级别对国内外霍尔推力器型号进行了分类,分别对3个推力级各系列型... 详细信息

介绍了霍尔推力器原理的基础上,推导分析了霍尔推力器推力的影响因素,总结了改变其推力的主要方法。概述了微牛级、毫牛级和牛级等不同推力级适用的航天任务类型,按照3个级别对国内外霍尔推力器型号进行了分类,分别对3个推力级各系列型号的发展及趋势进行了梳理与分析。对各推力级霍尔推力器发展的关键技术进行了展望。针对其中的技术瓶颈与发展趋势进行了总结分析。全面、系统地针对各推力级霍尔推力器进行了综述。结果表明:毫牛级发展最为成熟的推力级,而随着航天任务类型逐渐丰富,微牛级和牛级霍尔推力器发展潜力愈发突出;研究结果提出了霍尔推进器应提升整体性能、扩展推力覆盖范围,强化多模式工作能力,发展空心阴极以及探究不同推进剂等建议。该研究结果对于霍尔电推进的进一步发展具有参考价值。

关键词：霍尔电推进技术霍尔推力器推力级推力航天推进器

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石墨烯光推进原理分析及光驱动特性测试研究

固体火箭技术 2023年第6期46卷 866-873页

作者：杨文将刘润泽向红军赵鹏邓富文樊子郴黄彬彧汤海滨北京航空航天大学宇航学院北京100191

光推进是将光能转换为动能的一种推进方式,石墨烯材料具有独特的光电特性,为光推进技术发展提供了重要前提。文章介绍了石墨烯光推进技术发展,讨论了石墨烯光推进的电子射流、Knudsen力、激光烧蚀三种作用机理假设,分别计算了电子射流及... 详细信息

光推进是将光能转换为动能的一种推进方式,石墨烯材料具有独特的光电特性,为光推进技术发展提供了重要前提。文章介绍了石墨烯光推进技术发展,讨论了石墨烯光推进的电子射流、Knudsen力、激光烧蚀三种作用机理假设,分别计算了电子射流及Knudsen力产生推力的数量级,认为Knudsen力更有可能是光产生驱动现象的原因。针对Knudsen力这一假设,采用悬丝摆动的微小力测量方法,表征了石墨烯海绵表面受激光照射一侧和未被照射一侧的表面温度,两侧表面形成了显著的温差,热量主要在受照射的一侧表面聚集;讨论了真空度等参数对光驱动力大小产生的影响。结果表明,石墨烯光驱动力在微牛量级,低真空度(1~10 Pa)是产生光驱动力的适宜环境,热效应在光驱动里中占据主导作用,间接表明了石墨烯光驱动力主要来自于Knudsen力的可能性。

关键词：石墨烯光推进电子射流 Knudsen力光驱动力

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碳氢燃料超燃冲压发动机热非平衡效应研究

航空学报 2023年

作者：吴忧陈兵杨庆春徐旭北京航空航天大学宇航学院

高超声速流动往往伴随着热化学非平衡效应，而热化学非平衡效应会对高超声速推进系统内的流动、燃烧带来一系列影响。本文采用双温度热化学非平衡模型以及热力学平衡模型，对飞行条件为Mach 10、高度29 km的煤油燃料超燃冲压发动机进行... 详细信息

高超声速流动往往伴随着热化学非平衡效应，而热化学非平衡效应会对高超声速推进系统内的流动、燃烧带来一系列影响。本文采用双温度热化学非平衡模型以及热力学平衡模型，对飞行条件为Mach 10、高度29 km的煤油燃料超燃冲压发动机进行数值模拟，研究了热非平衡效应对发动机流动、燃烧及性能的影响。结果表明，热非平衡效应可以通过改变斜激波角度进而影响发动机内的流场结构和掺混效率。尽管热非平衡态下燃烧室前部的平衡温度较高，可以促进凹腔上游的燃烧，但对于凹腔后部的燃烧，热非平衡效应降低了热释放率峰值及燃烧效率。振动非平衡还可以使尾喷管内的压力降低。总的来说，热非平衡效应降低了Mach 10煤油燃料发动机的性能。

关键词：高超声速流动热化学非平衡双温度模型超燃冲压发动机碳氢燃料

静电发射器对微米级金属单颗粒的供应特性研究

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推进技术 2024年

作者：王旭王天龙刘永祺徐旭杨庆春北京航空航天大学沈元学院北京航空航天大学宇航学院

为了对静电发射器的单颗粒供应特性进行系统性的研究，搭建了一套运动粒子可视化观测系统，并针对不同极板间电场强度、载气流量、几何结构和粒子直径条件下的发射器单颗粒供应特性进行了详细的研究分析。结果表明：利用静电场弥散颗粒... 详细信息

为了对静电发射器的单颗粒供应特性进行系统性的研究，搭建了一套运动粒子可视化观测系统，并针对不同极板间电场强度、载气流量、几何结构和粒子直径条件下的发射器单颗粒供应特性进行了详细的研究分析。结果表明：利用静电场弥散颗粒群后，通过极低流量载气进行输运的颗粒发生装置可以稳定且连续的出射微米级金属单颗粒。通过提高电场强度、载气流量和扩大出口孔径，能够有效缩短粒子的出射时间间隔。其中极板间电场强度在影响粒子出射时间间隔上占主导地位，并且两者间具有较好的线性关系。在本文测试范围内，通过改变电场强度可以实现出射粒子平均时间间隔在180～1100ms内线性可调，同时单颗粒率保持在80%以上。为了稳定和高效的为燃烧试验供应单颗粒，建议粒子发射器的出口孔径不宜小于0.5 mm，载气流量不宜超过16ml/min。

关键词：静电发射器,颗粒弥散单颗粒供应特性金属燃料静电场

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非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示

北京航空航天大学学报 2022年

作者：李文韬何允钦张艺仪梁国柱北京航空航天大学宇航学院

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立了非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型，提出了一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程的黏滞解，并将燃面退移问题转化为“特殊的稳态热传导问题... 详细信息

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立了非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型，提出了一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程的黏滞解，并将燃面退移问题转化为“特殊的稳态热传导问题”的新方法PEF，实现了对几何形状不规则且燃速分布复杂的三维装药燃面退移的计算。考虑燃烧室压力变化等实际因素，在平衡压力假设下，形成了内弹道性能预示的4种计算模型。完成了二维星型装药、三维翼柱型装药和含金属丝的双推进剂装药的计算。计算结果表明：所提计算方法不仅可以高精度地适应多种推进剂构成的复杂交界面，而且可以直接在商业有限元软件的稳态热传导模块上应用和求解，充分利用商业有限元软件成熟的CAD建模、前处理、后处理及二次开发能力，实现了方法的通用化和实用化。

关键词：固体火箭发动机燃面退移内弹道性能预示有限元法程函方程泊松方程

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隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

推进技术 2019年第6期40卷 1348-1353页

作者：刘旺李敬轩杨立军北京航空航天大学宇航学院

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理... 详细信息

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。

关键词：隔板喷嘴燃烧不稳定性理论模型声导纳切向声学振荡模态