冷气推进器流场仿真和分析

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1、第36卷第2期2010年4月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPUISIONV01．36．№．2Apr．2010冷气推进器流场仿真和分析王定军，宋会玲，刘伟(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：采用Fluent软件对火箭姿态控制系统小推力冷气推进器的内流场进行了数值仿真，得到了流场压力与马赫数的曲线图。气流在推进器控制13达到音速，通过控制口后加速并相互撞击产生激波，流束相对集中，超音速流经过激波变成亚音速流；亚音速流在直管段扩张达到超音速，在收缩段受压缩减速，流束集中后再次扩张加速，喷嘴喉部气流略大

2、于音速，但喷嘴扩张段内没有激波，推进器工作状态正常。仿真结果与高模试验结果相吻合。关键词：姿态控制系统；推进器；喷嘴；流场；仿真中图分类号：V439．7文献标识码：A文章编号：(2010)02—0036—04^●1●1，．3lmulatlonandreSearCllotthe’thrusterflowfieldmtrogenthrustertlOWfieldWangDingjun，SongHuiling，UuW西(Xi'anAerospacePropulsionInstitute，XVan710100，China)Abs的

3、ct：NumericalsimulationoftheflowfieldthroughallattitudecontrolsystemthrusterisconductedwitIlFLUENTsoftware．ThedistributionofflowfieldpressureandMachnumberisob-mined．Theflowachievessonicvelocitythroughthecontrolorificeandthecompressedflowproducesshockwave．Afterexpan

4、dingandbeingcompressed，theflowachievessonicvelocityatthenozzleorifice．Thesimulationresultsagreewiththatofgroundexperiments．Keywords：attitudecontrolsystem；thruster；nozzle；flowfield；simulation收稿日期：2009一11—13；修回日期：2010-01-05。作者简介：王定军(1977—，，男，硕士。研究领域为火箭姿态控制系统。第36卷第2期

5、王定军，等：冷气推进器流场仿真和分析370引言火箭姿态控制系统用于卫星人轨姿态的调整，需要各种推力的推进器，推力范围变化大，一般推进器采用挤压式．其中小推力的推进器采用冷气工作介质。为了提高推进器响应速度，喷嘴前控制阀行程和通径较小，控制口当量流通面积小于喷嘴喉部面积，气流在推进器控制口处出现雍塞状态，因此冷气喷嘴与一般的拉法尔喷管不同，进口气流为超音速。喷嘴喉部设计不当时，超音速进口气流在扩张段内容易产生激波，严重影响冷气推进器的工作。余敏111、张硕圈等人对拉法儿喷管喉部后内流场和出口处流场随背压的变化进行了分析，本文

6、对推进器控制口和喷嘴的流场进行了计算，并分析了喷嘴直管段内气流激波产生的机理。1冷气推进器结构和原理冷气推进器包括电磁控制阀和冷气喷嘴，结构如图1所示。为了满足结构紧凑、重量轻、响应快的要求，电磁控制阀为直动式螺线管结构，将冷气喷嘴与控制阀一体化设计，采用了锥形喷管。图1冷气推进器结构图Fig．1Sketchofthenitrogenthruster推进器工作方式为：通电打开，断电关闭。当推进器通电后，挡铁和衔铁(阀芯)之间产生电磁吸力，阀芯在电磁吸力作用下，克服阀芯上的圆柱弹簧力、摩擦力和冷气压力，使阀芯抬起，将推进器打

7、开。当推进器断电后，电磁吸力消失，阀芯在弹簧力和冷气压力的作用下克服剩磁吸力及摩擦阻力回到阀座上，切断阀芯与阀座之间的通路，使推进器关闭。2数学模型和边界条件2．1控制万程连续性方程为：等+砉∞u)+砉∽)譬以(1)轴向和径向的动量守恒方程分别为：去(p“)号去(伊Hu)号詈(删u)畦+÷丢【秘(2罢—号(V谚))】号詈[班(2詈+老)]幔(2)啬(pl，)+了1似a(rpuv)+了1面8(，p1)t，)一鲁+÷未【氍(芸+等)】+÷杀【班(2罢一号)(V引】一一舢号+詈等(V·苔)印堑r+c(3)其中V·菇粤+粤+旦以d

8、rr式中，w为漩涡速度。切向动量方程为：啬(舢)+÷击(驴删)+上r旦8r(印埘)=÷去[渺罢]+专杀[m杀(予),1√-7加(4)能量方程为：蔷(加)+去(地(脚))2去p若一渺+吩(％)彬+Sh(5)2．2网格划分推进器工作过程中，主要通过控制口调节气流压降。为减小计算量，仅对推进器控制E1前部分通