冷氣噴嘴氣動計算與試驗分析

1、第 2 8 卷 第 6 期2 0 0 2 年 1 2 月 火 箭 推 進(jìn)J O R U N A L F O R 戈 R P K T E P O U L S I N OV o l 2 8, N9. 6De e. 20 02、、`冷 氣 噴 嘴 氣 動 計 算 與 試 驗 分 析胡偉 周 軍中國航天科技 集團(tuán)公司第六研究 院十 一所摘 要: 冷氣發(fā)動機(jī)一般使用 壓縮空氣或氮氣等氣體作為推進(jìn)劑, 雖然 比沖低, 但具有系 統(tǒng)簡單、 可靠性高、

2、 無毒無 污染等優(yōu) 點, 適用 于運 載器 的姿態(tài)控制和衛(wèi) 星 軌道控制。 本文研 究 了冷氣噴嘴 的氣動原理, 給出 了 基本參數(shù) 的計算方法, 分析 了試驗條件下 氣體在噴管 內(nèi)型面 上 的流動狀 態(tài)和損 失, 并對依 此設(shè) 計的冷氣裝置進(jìn)行試驗, 分析 了試驗結(jié)果, 所得結(jié)論對噴嘴設(shè) 計及試驗數(shù)據(jù)分析提供 了依據(jù).關(guān)鍵詞: 冷氣發(fā)動機(jī) 氣動計算 試驗分析中 圖分 類號 : v 4 3 2 文 獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A 文章編號: (2 0

3、 0 2 )0 6一0 3 12一0 5引言冷氣推進(jìn)系統(tǒng) 的主 要特點 是 : 推進(jìn)劑在冷氣推力室 內(nèi)不發(fā)生任何化學(xué)或物態(tài)的變化, 一直保持其 氣 態(tài)。 目前廣 泛使用 壓 縮氣 體冷氣 推進(jìn) 系統(tǒng), 其推進(jìn)劑一般采用壓縮 空氣、 氮氣、 氦氣、氫氣、 氖氣等, 以壓 縮狀態(tài)貯 存在壓縮容器 內(nèi)。其優(yōu)點在于 :( l ) 推進(jìn)劑 由噴管噴 出的 過程 中不 發(fā)生 任何 化學(xué)反 應(yīng), 而是 由氣體質(zhì)量和速度直接轉(zhuǎn)化 為沖量, 反應(yīng)速度快,

4、 性能穩(wěn)定, 重復(fù)性好 ;( 2 ) 采用 的 推進(jìn)劑是清潔無污染的 ;( 3 ) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。冷氣 推進(jìn) 系統(tǒng)是 航天器 的一 個重要系統(tǒng), 采用 壓縮氣體作為推進(jìn)劑, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 性能穩(wěn)定, 具有 良好 的一致性, 成本低。 由于推進(jìn) 劑采用 無毒、 物理化學(xué)性能穩(wěn)定的氣體, 不會對 航天器和 宇航員產(chǎn)生污染和傷害, 是各種推進(jìn) 系統(tǒng)中最為清潔的系統(tǒng)。 二十世紀(jì) 6 0 年代末到 7 0 年代初, 美 國在近月 星際探索水手

5、一 4 號 上使用 了冷氣系統(tǒng)完成姿態(tài)控制任務(wù), 工作介質(zhì)為氮氣。 雖然冷氣發(fā)動機(jī) 比沖低、 需要的氣體量大, 但在壽命較短 的低軌道航天器中仍廣泛使用, 在未來 的空 間站 交會對接、 宇航 員空 間 機(jī)動 行走、 航天 器空 間維修和 空 間緊急救援任 務(wù)中, 冷氣 推進(jìn) 系統(tǒng)仍 占有一 定 的優(yōu)勢 [l[ 。2 計算假設(shè)和 計算方法為 了 完 成 噴管 型 面 的造 型、 推 力損 失的 計算、 傳熱計算, 我們 對噴管 內(nèi)的流

6、動進(jìn) 行 研 究。一般采用 無粘 絕熱氣流模型, 氣體 在 噴管 中的 流動可 以近似地視為定嫡氣體流動, 并 假定:( 1 ) 在噴管 的任一 橫截面 上, 氣 流 為一 維流, 氣體參數(shù)是均一 的 ;( 2 ) 氣體 為理想氣 體, 即冷 氣 不 僅 滿足 理想氣體狀態(tài)方程, 且其 比熱 比不 隨溫 度變化 ;( 3 ) 不 考慮 各種 損失, 氣 體流 動 是 定 嫡的, 因而噴管中的 總溫 廠, 總壓 尸’保持不變。計算方法 :

7、 使用 牛頓迭代法計算噴管 出 口 馬赫數(shù)。3 應(yīng)用公式和數(shù)學(xué)方程假設(shè)氣 體在噴管中為等嫡流動, 并假 定氣 流經(jīng)噴管為完全膨脹, 按一 維等嫡流 動計 算, 氣 動函 數(shù)參數(shù)公式如下 2 [ ] :1 2 火 箭5 推力裝置結(jié)村 ;根據(jù) 上述計算, 選定 以氮氣為介質(zhì)設(shè)計冷氣推力裝置。冷氣推力裝置 包括 電磁閥和冷氣噴嘴。 為了滿足結(jié)構(gòu)緊湊、 重 量輕、 響應(yīng)快 的要 求, 我們將冷氣噴嘴與 電磁 閥作成一 體, 由于 噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸很

8、小, 為了加工 的簡單, 采用 了錐形噴管.5. 1 工作原理推力裝置 采用直動式結(jié)構(gòu), 見 圖 1, 工作方式為: 通 電打開, 斷 電關(guān)閉。 設(shè)計參數(shù)見 表 2。表 2 推力裝置設(shè)計參數(shù)推 進(jìn) 2 002 年第 2 8 卷芯上 的圓柱彈簧力、 摩擦力和 推進(jìn)劑壓力, 使 閥芯 抬起, 將推力裝置打開。當(dāng)推力裝置斷 電后, 電磁 吸力消失, 閥芯 在彈簧力和 推進(jìn)劑壓力 的作用下 克服剩磁吸 力及摩擦 阻 力 回 到 閥座 上, 切

9、斷 閥芯 與 閥座 之間 的通路, 使推力裝置關(guān)閉。2 結(jié)構(gòu)特點( l ) 該推力裝置采用整體直動式結(jié)構(gòu), 結(jié)參 數(shù) 名 稱 設(shè)計參數(shù)工作介質(zhì) 氮氣流量, g s / 3 0真空額定推 力, N 2 0真空 比沖, 耐 s ) 60 0噴嘴額定入 口壓 力, M P a ( 絕 ) 1. 6額定流量下流 阻, MPa 續(xù) 0. 8 5閥門工作 電壓, V 2 6~ 3 1閥門工作 電流 (28v, 2 0℃ ), A l閥門打開 時間

10、(有載 ), m s 延 3 0閥門關(guān) 閉時間 (有載 ), 毗 ( 3 0最長工作 時間, s 3 0工作 次數(shù), 次 4 0 00構(gòu)簡單, 工作可靠性高 ;( 2 ) 線 圈纏繞在 閥體上提 高了推力裝置 的散熱性能, 并且 由于 推力裝置 內(nèi)的冷氣起到冷卻作用, 因此使線圈溫升 大為降低 ;( 3 ) 壽命長、 密封性好 ;( 4 ) 冷氣噴嘴和 閥座設(shè)計成整體結(jié)構(gòu), 減小了推力裝 置 的尺寸。6 推力裝置試驗6. 1 試驗程序為

11、了 驗證計算結(jié)果, 選 擇以下 程序進(jìn)行試驗考 核, 以獲 得穩(wěn) 態(tài)、 脈 沖 工 作 時 比沖、 響應(yīng)時間、 推力等參數(shù), 考核冷氣 推力裝置 的結(jié)構(gòu)可靠性。( 1 ) 參數(shù)預(yù)調(diào)o n l 0 5( 2 ) 穩(wěn)態(tài)工 作黯二恤 ,=` 器 一黯二恤 ,一 器· ` 0o n s ( ) o f s ( )( 3 ) 脈沖工 作、 。依 ) = 絲、 10+ 衛(wèi)互、 10+ 絲、 5 + 旦二 旦 蘭、 1 14 60. 1 0

12、. 0 5 0. 2 0. 05迪 之x 。飯、 一 鯉· 16 85 + 塑· `o f s ( )` 一 ` . 0 1 0( 4 ) 變工 況工 作高工況 工 作, 入 口 壓 力分別為額定值 的倍 ; 低工況工作, 入 口壓 力為額定值的 0 . 9 倍。圖 l 推力裝置結(jié)構(gòu)簡 圖 二伽)一 器· ` 0當(dāng)推 力裝置 通 電后, 擋鐵和 銜鐵 (閥芯) 之 間產(chǎn)生 電磁吸 力, 閥芯 在電磁吸力作用