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空间发动机羽流及其污染研究

肖泽娟  
【摘要】: 空间发动机羽流及其污染研究在理论和现实上都具有十分重要的意义。国内对羽流的研究水平和世界先进实验室相差很远,特别是高空羽流场的测量、羽流的污染研究、羽流污染的控制与清理等。随着空间探测技术的深入发展,空间羽流及其污染研究成为我们不可回避的领域。 本文在前人研究的基础上,进一步对以下几个羽流题目做了若干探索性工作:空间发动机羽流场的数值模拟;空间羽流场的地面模拟与测量;污染分子在卫星表面上的吸附与传输的分析;羽流污染物导致卫星关键功能表面(光学系统、太阳帆板、热控物面等)性能衰减的计算。 空间羽流场的研究跨越了连续气体流、过渡流、稀薄气体流和自由分子流等不同的领域。单一的物理模型和数学方法难以精确地解决这一问题。本文采用经典的计算流体动力学(CFD)和直接模拟Monte Carlo(DSMC)相结合的方法进行羽流场的数值模拟,前者用来计算发动机内部气体的流动,后者用来模拟气体膨胀离开喷口后各参数的变化特征。这种联合的方法充分发挥了两种计算方法的优势,提高了计算的速度和精度。在完成单发动机羽流场的数值模拟与试验验证的基础上,进行了四并联发动机的三维羽流场的计算,并与相同推力单发动机的流场特性进行了比较。 成功地进行了模拟空间环境下羽流场的试验研究。研制了一套羽流试验系统,主要包括空间环境模拟设备、电热气体模拟发动机、稳压气源系统、轴向移动装置、径向移动装置、测量系统及温控系统。羽流试验系统能准确模拟并测量100公里轨道高度发动机羽流场的特征参数。测量数据和数值计算结果吻合很好,和相似试验条件下Boyd等人的测量结果有较好的可比性,证明试验方案合理,测量准确。 模拟发动机和稳压气源的各关键参数均达设计要求。气体在电热发动机盘管中升温幅度超过600K,进入发动机燃烧室的气体温度接近真实发动机燃气温度。在一个工作脉冲内,燃烧室气体总温变化幅度小于0.1%,总压变化约为0.15%。毕托管测压技术成功地用于稀薄超声速的羽流压力测量,测量结果精确稳定,近场总压和远场总压的测量误差分别为±4Pa和±0.4Pa。测量仪表的温控精度为±1.0K。温度和压力传感器响应迅速,测量结果达到测量对象真实值的99%所需时间均小于4.0s。 物面上污染层的厚度取决于到达物面的分子数量、分子在物面上的吸附系数及吸附时间。到达物面上的分子数是通过羽流场的模拟和污染分子的传输计算求得的。吸附系数一般来源于实验数据,它取决于气体和固体表面的属性。目前,可获得的试验数据非常有限,许多情况下只能采用高度简化的工程计算模型。吸附系数在常用的计算模型中一般是污染物和固体表面温度的函数。文中提出有效吸附时间概念,可使一些缺少数据的污染计算得以进行。 污染分子在物面间的传输是卫星污染研究中非常关键的一个环节。分子传输计算模型将污染分子在物面间的传输过程分为可视传输和非可视传输两种方式。分子从污染表面到可视表面间的传输过程假设是没有碰撞的自由流,与辐射传热问题类似。非可视传输包括两个方面:污染分子之间的碰撞带来的回流,即自散射回流;污染分子与环境分子之间的碰撞带来的回流,即环境散射回流。 分析羽流污染对卫星关键功能表面的影响并建立分子吸附层的污染计算模型。以太阳帆板的为例,进行了羽流污染导致输出功率损失的计算。污染层削弱了硅片的光线透射率,导致发电功率降低。同时,污染层对太阳能的吸收使得硅片温度升高,导致光电转换效率降低。太阳帆板功率损失的计算考虑二者的综合影响。


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