推进技术
2015年第36卷第10期文章目次
2015, 36(10):1441-1458.
摘要:
针对激波聚焦及其诱导爆震近几十年来的研究热点问题，回顾了激波聚焦及其诱导爆震的主要研究成果，概括了以下三个方面:激波聚焦流场结构的研究进展、激波聚焦诱导爆燃与爆震的实验研究进展、激波聚焦及诱导爆震的数值模拟研究进展。从理论研究与工程应用的观点，总结了目前在激波聚焦及其诱导爆震的研究中存在的主要问题，思考了该领域未来的发展方向和急需深入研究的重要基础性问题。
针对激波聚焦及其诱导爆震近几十年来的研究热点问题，回顾了激波聚焦及其诱导爆震的主要研究成果，概括了以下三个方面:激波聚焦流场结构的研究进展、激波聚焦诱导爆燃与爆震的实验研究进展、激波聚焦及诱导爆震的数值模拟研究进展。从理论研究与工程应用的观点，总结了目前在激波聚焦及其诱导爆震的研究中存在的主要问题，思考了该领域未来的发展方向和急需深入研究的重要基础性问题。
2015, 36(10):1459-1464.
摘要:
在实验和数值分析IV型激波干扰特性及其对飞行器表面压力和热流影响的基础上，提出采用脉冲激光能量控制IV型激波干扰的方法，以降低飞行器波阻、驻点压力和热流。采用实验和数值方法，研究了100mJ单脉冲激光能量与马赫5.0条件下IV型激波干扰的相互作用过程，揭示了单脉冲激光能量控制IV型激波干扰的机理。数值研究了频率为150kHz的激光能量注入后，激光空气锥的形成及其与IV型激波干扰的相互作用过程，得到了钝头体表面压力、热流和波阻的演化过程。结果表明，沉积高重频的激光沉积方式可以利用相对较少的激光能量形成比较稳定的准静态波结构，进而利用准静态波与IV型激波干扰的相互作用将高能区脱离钝头体表面。在马赫数为5.0的流场中沉积频率为150kHz、单脉冲能量为5mJ的激光能量可使峰值压力、热流和波阻分别降低40%，33%和23%。
在实验和数值分析IV型激波干扰特性及其对飞行器表面压力和热流影响的基础上，提出采用脉冲激光能量控制IV型激波干扰的方法，以降低飞行器波阻、驻点压力和热流。采用实验和数值方法，研究了100mJ单脉冲激光能量与马赫5.0条件下IV型激波干扰的相互作用过程，揭示了单脉冲激光能量控制IV型激波干扰的机理。数值研究了频率为150kHz的激光能量注入后，激光空气锥的形成及其与IV型激波干扰的相互作用过程，得到了钝头体表面压力、热流和波阻的演化过程。结果表明，沉积高重频的激光沉积方式可以利用相对较少的激光能量形成比较稳定的准静态波结构，进而利用准静态波与IV型激波干扰的相互作用将高能区脱离钝头体表面。在马赫数为5.0的流场中沉积频率为150kHz、单脉冲能量为5mJ的激光能量可使峰值压力、热流和波阻分别降低40%，33%和23%。
2015, 36(10):1465-1473.
摘要:
以轴对称前涵道引射器为基础，提出了一种非轴对称前涵道引射器方案。为了比较非轴对称和轴对称前涵道引射器在热混合效率，引射系数和总压恢复方面的不同，采用数值模拟的方法对不同掺混角度和进出口压比的模型进行了计算，并得到引射器的性能参数变化规律。结果表明，在开口面积不变的情况下，增大气流的掺混角度会使前涵道引射器的热混合效率降低，总压恢复系数减小，引射系数也有较大的减小；在亚临界时，随着进出口压比的增大，引射器的热混合效率和总压恢复系数逐渐变大，引射系数则会减小，并且相同条件下，非轴对称前涵道引射器与轴对称前涵道引射器相比，热混合效率提高，总压恢复系数和引射系数分别会减小大约2%和20%。
以轴对称前涵道引射器为基础，提出了一种非轴对称前涵道引射器方案。为了比较非轴对称和轴对称前涵道引射器在热混合效率，引射系数和总压恢复方面的不同，采用数值模拟的方法对不同掺混角度和进出口压比的模型进行了计算，并得到引射器的性能参数变化规律。结果表明，在开口面积不变的情况下，增大气流的掺混角度会使前涵道引射器的热混合效率降低，总压恢复系数减小，引射系数也有较大的减小；在亚临界时，随着进出口压比的增大，引射器的热混合效率和总压恢复系数逐渐变大，引射系数则会减小，并且相同条件下，非轴对称前涵道引射器与轴对称前涵道引射器相比，热混合效率提高，总压恢复系数和引射系数分别会减小大约2%和20%。
2015, 36(10):1474-1478.
摘要:
设计了新型的等离子体合成射流激励器，采用实验方法研究了该激励器的放电特性、合成射流强度特性以及时均冲力特性。实验结果表明:存在一个饱和激励频率使合成射流的强度达到最大值，当射流孔径为1mm和1.5mm时，这一饱和频率分别为4kHz和6kHz；随着与出口距离的增加，射流的强度呈指数衰减，射流的影响距离约为10mm；在4kHz下，激励器所产生的时均冲力随着激励频率的增加而近似线性增加，该时均冲力与单位长度介质阻挡放电(SDBD)激励器所产生的体积力处于同一量级(mN)，孔径为1.5mm下的时均冲力约为孔径为1 mm时的两倍。
设计了新型的等离子体合成射流激励器，采用实验方法研究了该激励器的放电特性、合成射流强度特性以及时均冲力特性。实验结果表明:存在一个饱和激励频率使合成射流的强度达到最大值，当射流孔径为1mm和1.5mm时，这一饱和频率分别为4kHz和6kHz；随着与出口距离的增加，射流的强度呈指数衰减，射流的影响距离约为10mm；在4kHz下，激励器所产生的时均冲力随着激励频率的增加而近似线性增加，该时均冲力与单位长度介质阻挡放电(SDBD)激励器所产生的体积力处于同一量级(mN)，孔径为1.5mm下的时均冲力约为孔径为1 mm时的两倍。
2015, 36(10):1479-1486.
摘要:
为了研究尾迹在高负荷对转压气机中的转播机制，采用频域的非线性谐波方法对两级高负荷对转压气机进行了非定常流计算。结果表明:在设计点，通过与定常流计算的结果对比，发现第二级转子在0%～25%的近叶根区域和67%～100%近叶尖区域，非定常得到的效率较小，而在25%~67%的叶中部分非定常的效率更大。研究了尾迹在这三个不同区域的传播规律。结果表明:在叶中，尾迹恢复效应在流动中起到了效率增益的作用；在叶尖，它会与机匣的附面层以及叶尖泄漏流作用，使得端壁附面层增厚和引起泄漏流熵增；在叶根，由端壁附面层产生的马蹄涡和分离涡会影响尾迹的传播，卷吸尾迹并导致尾迹破碎，引起掺混损失。
为了研究尾迹在高负荷对转压气机中的转播机制，采用频域的非线性谐波方法对两级高负荷对转压气机进行了非定常流计算。结果表明:在设计点，通过与定常流计算的结果对比，发现第二级转子在0%～25%的近叶根区域和67%～100%近叶尖区域，非定常得到的效率较小，而在25%~67%的叶中部分非定常的效率更大。研究了尾迹在这三个不同区域的传播规律。结果表明:在叶中，尾迹恢复效应在流动中起到了效率增益的作用；在叶尖，它会与机匣的附面层以及叶尖泄漏流作用，使得端壁附面层增厚和引起泄漏流熵增；在叶根，由端壁附面层产生的马蹄涡和分离涡会影响尾迹的传播，卷吸尾迹并导致尾迹破碎，引起掺混损失。
2015, 36(10):1487-1494.
摘要:
为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响，采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得，流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型，流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示，采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%～3.5%；仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明:针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著；对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言，改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。
为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响，采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得，流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型，流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示，采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%～3.5%；仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明:针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著；对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言，改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。
2015, 36(10):1495-1503.
摘要:
对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA的燃烧过程进行了基于动网格技术的非稳态数值仿真研究。基于超声速流中的耦合传热及质量注入建立了固体燃料燃烧的数值模型，研究了燃烧室构型和进气总温对固体燃料燃烧特性的影响。结果表明:和实验数据对比证实了本文数值模型的正确性。固体燃料超燃冲压发动机能够实现自点火建压和维持燃烧。在燃烧过程中，装药壁面燃速分布不均匀，凹腔逐渐变得扁平。随着主流流速增加和通道的扩大，凹腔的火焰稳定能力降低，直至熄火。初始凹腔较深、进气总温较高时有利于稳定火焰。当进气总温提升400K时，工作时间和燃料消耗量提高1.8倍。
对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA的燃烧过程进行了基于动网格技术的非稳态数值仿真研究。基于超声速流中的耦合传热及质量注入建立了固体燃料燃烧的数值模型，研究了燃烧室构型和进气总温对固体燃料燃烧特性的影响。结果表明:和实验数据对比证实了本文数值模型的正确性。固体燃料超燃冲压发动机能够实现自点火建压和维持燃烧。在燃烧过程中，装药壁面燃速分布不均匀，凹腔逐渐变得扁平。随着主流流速增加和通道的扩大，凹腔的火焰稳定能力降低，直至熄火。初始凹腔较深、进气总温较高时有利于稳定火焰。当进气总温提升400K时，工作时间和燃料消耗量提高1.8倍。
2015, 36(10):1504-1508.
摘要:
为深入直观了解RP-3煤油在激波管内的自点火及燃烧过程，利用高分辨率纹影系统和高速摄像机对反射激波后点火燃烧过程进行拍摄，获取了丰富的光学图像。纹影图像显示得益于低压段内高比例氩气作为稀释气体，入射及反射激波均无分叉，为正激波结构，点火燃烧后对密度造成较大影响，流场中出现明显褶皱。针对燃烧过程的高速摄影图像显示激波后燃烧区域基本分为两部分，反射激波后小粒径雾化煤油完全燃烧呈现明亮的蓝色火焰，由于氧气的大量消耗随后将造成煤油液滴间的燃烧出现竞争关系，无法充分燃烧，出现分散的黄色火焰区，后期部分液滴由于贫氧及温度下降造成燃烧不充分而析出碳粒。
为深入直观了解RP-3煤油在激波管内的自点火及燃烧过程，利用高分辨率纹影系统和高速摄像机对反射激波后点火燃烧过程进行拍摄，获取了丰富的光学图像。纹影图像显示得益于低压段内高比例氩气作为稀释气体，入射及反射激波均无分叉，为正激波结构，点火燃烧后对密度造成较大影响，流场中出现明显褶皱。针对燃烧过程的高速摄影图像显示激波后燃烧区域基本分为两部分，反射激波后小粒径雾化煤油完全燃烧呈现明亮的蓝色火焰，由于氧气的大量消耗随后将造成煤油液滴间的燃烧出现竞争关系，无法充分燃烧，出现分散的黄色火焰区，后期部分液滴由于贫氧及温度下降造成燃烧不充分而析出碳粒。
2015, 36(10):1509-1515.
摘要:
为研究放电过程产生的等离子体对缩短甲烷点火延迟时间的效果，针对脉冲式放电，本文耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程，对于甲烷-空气混合气体放电粒子浓度变化规律进行了研究分析。将计算得到的放电过程中激发态分子及活性自由基作为初始组份代入CHEMKIN中进行计算，计算了放电条件下等离子体对于甲烷点火延迟时间的影响。相比于附着过程，甲烷粒子弹性碰撞、激励、电离过程的碰撞截面要大2~5个数量级。随着粒子能量的增加，各个过程碰撞截面的变化并不单调，均存在碰撞截面最大的点。混合气体的激发过程导致了80%以上的能量损失。当约化场强逐渐增大时，甲烷的电离效应逐渐增强。混合气体的附着与弹性碰撞效应造成的能量损失比较小，相比激发与电离效应可以忽略。放电过程能够产生大量不同种类的活性粒子与自由基，不同活性粒子随时间变化的规律不相同。其中，随着放电，振动激发态氮分子浓度保持为1015/cm3量级。电子激发态氮分子粒子数密度随着放电的进行，在10-8s～10-7s会产生一个峰值。模型计算的单脉冲放电产生的活性粒子，在大多数点火温度下，可将点火延迟时间缩短10%以上。脉冲式放电对于甲烷-空气混合气体点火有显著的增强效果。
为研究放电过程产生的等离子体对缩短甲烷点火延迟时间的效果，针对脉冲式放电，本文耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程，对于甲烷-空气混合气体放电粒子浓度变化规律进行了研究分析。将计算得到的放电过程中激发态分子及活性自由基作为初始组份代入CHEMKIN中进行计算，计算了放电条件下等离子体对于甲烷点火延迟时间的影响。相比于附着过程，甲烷粒子弹性碰撞、激励、电离过程的碰撞截面要大2~5个数量级。随着粒子能量的增加，各个过程碰撞截面的变化并不单调，均存在碰撞截面最大的点。混合气体的激发过程导致了80%以上的能量损失。当约化场强逐渐增大时，甲烷的电离效应逐渐增强。混合气体的附着与弹性碰撞效应造成的能量损失比较小，相比激发与电离效应可以忽略。放电过程能够产生大量不同种类的活性粒子与自由基，不同活性粒子随时间变化的规律不相同。其中，随着放电，振动激发态氮分子浓度保持为1015/cm3量级。电子激发态氮分子粒子数密度随着放电的进行，在10-8s～10-7s会产生一个峰值。模型计算的单脉冲放电产生的活性粒子，在大多数点火温度下，可将点火延迟时间缩短10%以上。脉冲式放电对于甲烷-空气混合气体点火有显著的增强效果。
2015, 36(10):1516-1521.
摘要:
为解决化石燃料燃烧带来的问题，需要对燃料的基础燃烧特性进行深入研究。为此通过数值计算研究了初始压强50～101kPa，初始温度298～353K，当量比0.6～1.5异辛烷的预混层流火焰结构特性，分析了初始压强、初始温度、当量比对火焰厚度、反应区厚度、厚度比的影响。数值计算结果表明:火焰厚度、反应区厚度、厚度比会随着初始压强和初始温度的升高而减小，随当量比的增加先减小后增大；火焰厚度、反应区厚度、厚度比分别在当量比1.1，0.9，1.3时获得最小值；层流燃烧速度与H+OH的最大浓度有密切关系，都随初始温度的增加而增加，随初始压强的增加而减小。通过敏感性分析，发现H主要通过R3，R24，R97，R162，R163，R179生成，通过R1，R12，R14消耗;OH主要通过R1与R14生成，通过R3，R12，R16，R29，R95，R97消耗。
为解决化石燃料燃烧带来的问题，需要对燃料的基础燃烧特性进行深入研究。为此通过数值计算研究了初始压强50～101kPa，初始温度298～353K，当量比0.6～1.5异辛烷的预混层流火焰结构特性，分析了初始压强、初始温度、当量比对火焰厚度、反应区厚度、厚度比的影响。数值计算结果表明:火焰厚度、反应区厚度、厚度比会随着初始压强和初始温度的升高而减小，随当量比的增加先减小后增大；火焰厚度、反应区厚度、厚度比分别在当量比1.1，0.9，1.3时获得最小值；层流燃烧速度与H+OH的最大浓度有密切关系，都随初始温度的增加而增加，随初始压强的增加而减小。通过敏感性分析，发现H主要通过R3，R24，R97，R162，R163，R179生成，通过R1，R12，R14消耗;OH主要通过R1与R14生成，通过R3，R12，R16，R29，R95，R97消耗。
2015, 36(10):1522-1527.
摘要:
为了深入了解甲基环己烷的燃烧特性，利用定容燃烧弹和光学纹影测量系统分别对不同初始条件下的甲基环己烷/空气层流火焰燃烧特性进行研究。用自编的Matlab图片处理程序对定容弹内球形火焰传播过程的纹影图片进行分析，得到不同初始条件下甲基环己烷/空气的拉伸火焰传播速度、马克斯坦长度和层流燃烧速度等层流燃烧参数，并给出了以初始压力和初始温度为变量的甲基环己烷/空气的层流燃烧速度拟合公式。研究结果表明:甲基环己烷/空气的拉伸火焰传播速度与初始压力呈负相关，在当量比[?>0.8]时，与拉伸率呈负相关；马克斯坦长度与燃料空气当量比、初始压力和初始温度都呈负相关；层流燃烧速度与初始温度呈正相关，与初始压力呈负相关，并通过与其他的研究数据进行对比，表明构建的层流火焰燃烧速度拟合公式较为合理。
为了深入了解甲基环己烷的燃烧特性，利用定容燃烧弹和光学纹影测量系统分别对不同初始条件下的甲基环己烷/空气层流火焰燃烧特性进行研究。用自编的Matlab图片处理程序对定容弹内球形火焰传播过程的纹影图片进行分析，得到不同初始条件下甲基环己烷/空气的拉伸火焰传播速度、马克斯坦长度和层流燃烧速度等层流燃烧参数，并给出了以初始压力和初始温度为变量的甲基环己烷/空气的层流燃烧速度拟合公式。研究结果表明:甲基环己烷/空气的拉伸火焰传播速度与初始压力呈负相关，在当量比[?>0.8]时，与拉伸率呈负相关；马克斯坦长度与燃料空气当量比、初始压力和初始温度都呈负相关；层流燃烧速度与初始温度呈正相关，与初始压力呈负相关，并通过与其他的研究数据进行对比，表明构建的层流火焰燃烧速度拟合公式较为合理。
2015, 36(10):1528-1532.
摘要:
对一种用于超声速气流点火助燃的高频率电弧等离子体发生器的工作特性进行了试验研究。首先采用CCD高速相机、光谱分析仪对静止空气条件下的等离子体喷射过程进行了试验，获得了不同种类、不同工作气喷注压力下等离子体射流的活性粒子种类和能量分布特性； 其次，采用纹影技术对超声速横向射流条件下的等离子体喷射流场结构进行了分析。研究结果表明，等离子体射流能量集中于等离子体射流的中心轴附近，并且在中心轴下游 2cm 左右达到了最大衰减。等离子体的喷注压力对等离子体射流的能量分布和光谱特性影响较大。当等离子体的工作介质为 N2 时，喷注压力由 0.3 MPa 增大至 0.5MPa，等离子体射流具有比较好的能量交换过程。通过光谱分析发现，氮气等离子体的组成是氮原子和氧原子，其强度随着与喷嘴距离的增大而减小，随着工作压力的增大而增大。等离子射流横向喷入超声速流场对主流的阻碍作用导致弓形激波的形成，它能有效促进活性粒子和来流的掺混过程。
对一种用于超声速气流点火助燃的高频率电弧等离子体发生器的工作特性进行了试验研究。首先采用CCD高速相机、光谱分析仪对静止空气条件下的等离子体喷射过程进行了试验，获得了不同种类、不同工作气喷注压力下等离子体射流的活性粒子种类和能量分布特性； 其次，采用纹影技术对超声速横向射流条件下的等离子体喷射流场结构进行了分析。研究结果表明，等离子体射流能量集中于等离子体射流的中心轴附近，并且在中心轴下游 2cm 左右达到了最大衰减。等离子体的喷注压力对等离子体射流的能量分布和光谱特性影响较大。当等离子体的工作介质为 N2 时，喷注压力由 0.3 MPa 增大至 0.5MPa，等离子体射流具有比较好的能量交换过程。通过光谱分析发现，氮气等离子体的组成是氮原子和氧原子，其强度随着与喷嘴距离的增大而减小，随着工作压力的增大而增大。等离子射流横向喷入超声速流场对主流的阻碍作用导致弓形激波的形成，它能有效促进活性粒子和来流的掺混过程。
2015, 36(10):1533-1538.
摘要:
为研究煤油的点火特性，在反射型激波管中测量了煤油及替代燃料的点火延迟时间。通过测量激波压力信号和OH自由基光强信号，分析了点火温度、当量比对煤油点火延迟时间的影响。实验温度范围为1100 ~ 1800K，压力为0.1MPa，反应当量比为0.5，1.0，1.5。选用正癸烷(80%)和三甲基苯(20%)组成的替代燃料，在相同实验条件下比较了替代燃料对煤油点火模拟的准确性。结果表明随着点火温度升高和当量比的降低，煤油及其替代燃料的点火延迟时间缩短，点火延迟时间的对数与温度倒数成正比。选定的替代燃料可以较好地模拟实际煤油的点火延迟过程。
为研究煤油的点火特性，在反射型激波管中测量了煤油及替代燃料的点火延迟时间。通过测量激波压力信号和OH自由基光强信号，分析了点火温度、当量比对煤油点火延迟时间的影响。实验温度范围为1100 ~ 1800K，压力为0.1MPa，反应当量比为0.5，1.0，1.5。选用正癸烷(80%)和三甲基苯(20%)组成的替代燃料，在相同实验条件下比较了替代燃料对煤油点火模拟的准确性。结果表明随着点火温度升高和当量比的降低，煤油及其替代燃料的点火延迟时间缩短，点火延迟时间的对数与温度倒数成正比。选定的替代燃料可以较好地模拟实际煤油的点火延迟过程。
2015, 36(10):1539-1546.
摘要:
为了研究等离子体火炬喷射频率对超声速燃烧特性的影响，采用实验方法研究了超声速气流中等离子体火炬的点火及助燃特性。在单次喷射能量保持不变的情况下等离子体火炬喷射频率呈现两种不同状态，使得超声速燃烧特性也呈现出两种截然不同的燃烧模态。燃烧模态转捩过程中伴随有正规反射向马赫反射的转化过程。等离子体火炬对处于亚燃模态的燃烧场不起作用，对处于早期超燃模态的燃烧场产生燃烧促进作用，并可以促发燃烧场由早期超燃模态向亚燃模态的转捩。
为了研究等离子体火炬喷射频率对超声速燃烧特性的影响，采用实验方法研究了超声速气流中等离子体火炬的点火及助燃特性。在单次喷射能量保持不变的情况下等离子体火炬喷射频率呈现两种不同状态，使得超声速燃烧特性也呈现出两种截然不同的燃烧模态。燃烧模态转捩过程中伴随有正规反射向马赫反射的转化过程。等离子体火炬对处于亚燃模态的燃烧场不起作用，对处于早期超燃模态的燃烧场产生燃烧促进作用，并可以促发燃烧场由早期超燃模态向亚燃模态的转捩。
2015, 36(10):1547-1553.
摘要:
为了预测补燃循环液体火箭发动机的结构动态特性，采用子结构试验建模综合技术，对四机并联液体火箭发动机的结构动力学进行了研究。在考虑喷管内外壁材料差异的基础上，利用刚度和质量等效原则，建立了精确的喷管有限元模型，然后采用分布参数法建立了发动机有限元模型。结果表明:单机子结构模型的误差小于1.35%；四机并联发动机模型的误差小于2.19%；且仿真振型与实际模态试验结果保持一致。说明该方法的计算结果可靠，能提高结构动态分析的精度和效率。
为了预测补燃循环液体火箭发动机的结构动态特性，采用子结构试验建模综合技术，对四机并联液体火箭发动机的结构动力学进行了研究。在考虑喷管内外壁材料差异的基础上，利用刚度和质量等效原则，建立了精确的喷管有限元模型，然后采用分布参数法建立了发动机有限元模型。结果表明:单机子结构模型的误差小于1.35%；四机并联发动机模型的误差小于2.19%；且仿真振型与实际模态试验结果保持一致。说明该方法的计算结果可靠，能提高结构动态分析的精度和效率。
2015, 36(10):1554-1559.
摘要:
扭摆系统通常用来测量航天微推力器的微推力和微冲量。为了实现扭摆的系统参数精确标定，根据扭摆系统阶跃响应的特点，深入分析稳态扭转角和极值扭转角及其对应时间等特征点与系统参数的关系，提出了系统参数标定的比例回归法，所提出方法能够同时标定阻尼比、振动频率和扭转刚度系数等系统参数，计算分析简便，适合真空环境下的扭摆系统参数标定，有助于真空环境下航天微推力器的推力性能评价工作。实验表明:相对于传统数据处理方法，利用比例回归法估计的置信区间最大可缩小61%，可有效改善系数参数的标定结果。
扭摆系统通常用来测量航天微推力器的微推力和微冲量。为了实现扭摆的系统参数精确标定，根据扭摆系统阶跃响应的特点，深入分析稳态扭转角和极值扭转角及其对应时间等特征点与系统参数的关系，提出了系统参数标定的比例回归法，所提出方法能够同时标定阻尼比、振动频率和扭转刚度系数等系统参数，计算分析简便，适合真空环境下的扭摆系统参数标定，有助于真空环境下航天微推力器的推力性能评价工作。实验表明:相对于传统数据处理方法，利用比例回归法估计的置信区间最大可缩小61%，可有效改善系数参数的标定结果。
2015, 36(10):1560-1566.
摘要:
针对发动机使用过程中的性能退化问题，设计了发动机性能退化恢复控制系统。通过内部小循环控制转速，外部大循环控制推力，实现了发动机性能的控制。以卡尔曼滤波器的输出作为输入，结合聚类以及支持向量回归模型，设计了推力估计器。以发动机为对象，对性能退化恢复控制系统进行仿真验证。对于性能参数缓慢衰退的情况，推力不退化；对于性能参数突变的情况，推力最多在3.5s后得到恢复。仿真结果表明该恢复控制技术是有效和可行的。
针对发动机使用过程中的性能退化问题，设计了发动机性能退化恢复控制系统。通过内部小循环控制转速，外部大循环控制推力，实现了发动机性能的控制。以卡尔曼滤波器的输出作为输入，结合聚类以及支持向量回归模型，设计了推力估计器。以发动机为对象，对性能退化恢复控制系统进行仿真验证。对于性能参数缓慢衰退的情况，推力不退化；对于性能参数突变的情况，推力最多在3.5s后得到恢复。仿真结果表明该恢复控制技术是有效和可行的。
2015, 36(10):1567-1573.
摘要:
为了解决TDLAS系统在工程应用中对发动机或激波管内流场测量时所遇到的偏振干扰问题，开展了传输激光偏振特性对TDLAS测量技术的影响研究。基于一个典型TDLAS工程应用系统的传播光路，推导了TDLAS工程测量系统中归一化出射光强随入射光波偏振角的变化关系式，利用这个关系式从理论上研究了由于入射光波偏振态扰动而引入的偏振噪声，利用实际工程测量中使用的发动机尾喷管搭建了实验验证系统，并通过实验对理论分析进行了验证，结果证明通过正入射方式或采用保偏光纤可以将幅度抖动范围在20%以上的偏正扰动有效地消除，根据理论分析和实验结果提出了抑制这种偏振噪声的具体实施方案。
为了解决TDLAS系统在工程应用中对发动机或激波管内流场测量时所遇到的偏振干扰问题，开展了传输激光偏振特性对TDLAS测量技术的影响研究。基于一个典型TDLAS工程应用系统的传播光路，推导了TDLAS工程测量系统中归一化出射光强随入射光波偏振角的变化关系式，利用这个关系式从理论上研究了由于入射光波偏振态扰动而引入的偏振噪声，利用实际工程测量中使用的发动机尾喷管搭建了实验验证系统，并通过实验对理论分析进行了验证，结果证明通过正入射方式或采用保偏光纤可以将幅度抖动范围在20%以上的偏正扰动有效地消除，根据理论分析和实验结果提出了抑制这种偏振噪声的具体实施方案。
2015, 36(10):1574-1581.
摘要:
针对直接吸收氧气光谱信号噪声较大的问题，开展了光谱信号降噪研究。以气流质量流量测量为例，说明氧气光谱信号的SNR(信噪比)要求较高。在光谱信号的测量过程当中，信号受到信号发生器等多个环节的干扰。经过对信号发生器噪声等信号进行分析，排除了“正弦噪声”的上述来源。采用自平衡检测方法，去除了该“正弦噪声”。通过对降噪后信号进行氧气浓度计算，其结果精度优于1%，证明了该方法的适用性。利用上述研究成果拓展了微小氧气光谱信号的检测能力，其光谱吸光度在10-3量级。
针对直接吸收氧气光谱信号噪声较大的问题，开展了光谱信号降噪研究。以气流质量流量测量为例，说明氧气光谱信号的SNR(信噪比)要求较高。在光谱信号的测量过程当中，信号受到信号发生器等多个环节的干扰。经过对信号发生器噪声等信号进行分析，排除了“正弦噪声”的上述来源。采用自平衡检测方法，去除了该“正弦噪声”。通过对降噪后信号进行氧气浓度计算，其结果精度优于1%，证明了该方法的适用性。利用上述研究成果拓展了微小氧气光谱信号的检测能力，其光谱吸光度在10-3量级。
2015, 36(10):1582-1587.
摘要:
为研究温度和H2，CO，F等组分影响气相硼燃烧的化学反应动力学机制，利用基于CHEMKIN 建立的B/C/H/O/N/F体系的反应动力学机理，模拟了温度和各自由基摩尔分数随时间的变化，并通过敏感性分析和化学反应速率分析研究了不同条件下影响气相硼燃烧的主要基元反应。结果表明，影响气相硼燃烧的主要反应式是R31 BO+O+M=BO2+M，BO的氧化速率决定了气相硼燃烧的快慢；提高初始温度，BO的氧化途径仍为R31；添加0.5% CO可以增加O自由基浓度，加快R31的反应速率；添加0.5% F后BO的氧化途径增加了反应式R183 BO+F+M=OBF+M，加快BO的氧化速率；添加0.5% H2后BO的氧化途径转变为R36 BO+H+M=HBO+M，R35 BO+OH+M=HBO2+M和R58 BO2+H+M=HBO2+M，加快BO的氧化速率从而缩短延迟时间；在含有H2的初始组分中，气相硼燃烧的主导反应过程: B2O2/HBO→BO→BO2→HBO2。
为研究温度和H2，CO，F等组分影响气相硼燃烧的化学反应动力学机制，利用基于CHEMKIN 建立的B/C/H/O/N/F体系的反应动力学机理，模拟了温度和各自由基摩尔分数随时间的变化，并通过敏感性分析和化学反应速率分析研究了不同条件下影响气相硼燃烧的主要基元反应。结果表明，影响气相硼燃烧的主要反应式是R31 BO+O+M=BO2+M，BO的氧化速率决定了气相硼燃烧的快慢；提高初始温度，BO的氧化途径仍为R31；添加0.5% CO可以增加O自由基浓度，加快R31的反应速率；添加0.5% F后BO的氧化途径增加了反应式R183 BO+F+M=OBF+M，加快BO的氧化速率；添加0.5% H2后BO的氧化途径转变为R36 BO+H+M=HBO+M，R35 BO+OH+M=HBO2+M和R58 BO2+H+M=HBO2+M，加快BO的氧化速率从而缩短延迟时间；在含有H2的初始组分中，气相硼燃烧的主导反应过程: B2O2/HBO→BO→BO2→HBO2。
2015, 36(10):1588-1594.
摘要:
为研究高能脉冲激光烧蚀铝靶材瞬态流动过程和形成的羽流流场能量转化过程，采用阴影法对纳秒激光烧蚀铝靶羽流膨胀及演化过程进行研究，得到烧蚀流场演化时序图；利用动量守恒方程，建立烧蚀羽流在环境气体中膨胀模型。由实验测量结果，通过对流场参数的无量纲化处理，分析得到烧蚀流场无量纲羽流动能、环境气体动能以及热能之间的能量转化过程。研究表明，初始时刻，由于烧蚀压要远大于环境气压，羽流膨胀与真空中的自由膨胀行为类似，此后，羽流动能逐渐转化为环境气体动能和热能；当无量纲激波半径为1时，羽流的无量纲动能等于被羽流推起的气体的动能，而热能约等于总能量的1/2，最终全部转化为羽流和环境气体热能。
为研究高能脉冲激光烧蚀铝靶材瞬态流动过程和形成的羽流流场能量转化过程，采用阴影法对纳秒激光烧蚀铝靶羽流膨胀及演化过程进行研究，得到烧蚀流场演化时序图；利用动量守恒方程，建立烧蚀羽流在环境气体中膨胀模型。由实验测量结果，通过对流场参数的无量纲化处理，分析得到烧蚀流场无量纲羽流动能、环境气体动能以及热能之间的能量转化过程。研究表明，初始时刻，由于烧蚀压要远大于环境气压，羽流膨胀与真空中的自由膨胀行为类似，此后，羽流动能逐渐转化为环境气体动能和热能；当无量纲激波半径为1时，羽流的无量纲动能等于被羽流推起的气体的动能，而热能约等于总能量的1/2，最终全部转化为羽流和环境气体热能。
2015, 36(10):1595-1600.
摘要:
为了研究激光推进技术中液体工质的最优掺杂浓度，进行了激光烧蚀掺杂甘油液体工质的冲量耦合特性实验研究。实验中采用10ns脉宽的Nd:YAG激光器烧蚀粘性液体甘油，在甘油中混合了不同浓度的纳米碳粉作为掺杂剂，以提高对激光能量的吸收。运用阴影测量法观测了激光烧蚀羽流的喷射过程，对不同掺杂浓度甘油的烧蚀产物、等离子体膨胀、激波传播、飞溅现象进行了对比分析；运用激光干涉扭摆法测量了烧蚀冲量，并分析了掺杂浓度对冲量耦合系数的影响。实验结果表明，掺碳后甘油的喷射行为、激波速度和冲量都发生了改变，而且掺碳后甘油的冲量耦合系数和比冲有了显著提高。综合分析得到1%浓度碳粉是甘油的最优掺杂浓度，此时冲量耦合系数从无掺杂时的67 mN·s/J提高到1250mN·s/J。
为了研究激光推进技术中液体工质的最优掺杂浓度，进行了激光烧蚀掺杂甘油液体工质的冲量耦合特性实验研究。实验中采用10ns脉宽的Nd:YAG激光器烧蚀粘性液体甘油，在甘油中混合了不同浓度的纳米碳粉作为掺杂剂，以提高对激光能量的吸收。运用阴影测量法观测了激光烧蚀羽流的喷射过程，对不同掺杂浓度甘油的烧蚀产物、等离子体膨胀、激波传播、飞溅现象进行了对比分析；运用激光干涉扭摆法测量了烧蚀冲量，并分析了掺杂浓度对冲量耦合系数的影响。实验结果表明，掺碳后甘油的喷射行为、激波速度和冲量都发生了改变，而且掺碳后甘油的冲量耦合系数和比冲有了显著提高。综合分析得到1%浓度碳粉是甘油的最优掺杂浓度，此时冲量耦合系数从无掺杂时的67 mN·s/J提高到1250mN·s/J。
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