姿控发动机羽流液相污染对航天器影响分析

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1、载人航天2011年第4期基础研究姿控发动机羽流液相污染对航天器影响分析唐振宇蔡国飙(北京航空航天大学)摘要姿控发动机羽流中的液相物质是羽流污染的重要来源，会对航天器及敏感器件表面造成磨损及沉积等危害。为了更好的防护姿控发动机羽流液相污染，分析了姿控发动机羽流液相污染物形成的原因，可能对航天器及敏感器件造成的损害。针对液相污染产生、输运和表面作用三个过程，指出了不同仿真阶段所采用的建模方法和羽流污染效应仿真的新趋势。结合德国汉堡大学羽流试验装置，给出了测量发动机液相污染常用的方法及典型试验结果。对防护羽流液相污染提出了建议，可为分析和防护姿控发动机液相污染提供参考。。关键词姿控发动机羽流污染液相

2、污染液滴分类号V416．5文献标识码A文章编号1674—5825(2011)04—0054—05l引言各类航天器上的发动机是其完成位置保持、姿态控制、轨道转移等功能所必须的核心部件。小推力液体火箭发动机作为一种传统的、成熟的推进技术，从五六十年代应用至今，仍是目前国内外航天上使用的主要推进方式之一。真空稀薄环境下，发动机的羽流会向外部环境自由膨胀，发动机羽流会对航天器产生多种羽流污染效应。羽流污染影响会降低工作元件的性能，甚至可能导致飞行任务失败。除气相的沉积污染外，羽流污染中一种重要的形式是发动机羽流中的液相污染物(主要是液滴)造成的。载人飞船和空间站上液体姿控发动机喷流中液滴对航天器敏感表

3、面的污染效应也一直是航天工程领域所关注的重要问题。美国于上世纪70年代开发了用于分析化学推力器羽流污染效应的软件COMTAMt”，对从发动机燃烧室到航天器表面整个羽流污染产生、输运到与表面作用过程都进行了模拟计算，对发动机羽流中液滴的建模和仿真便是其中的重要部分。80年代，美国与德国汉堡大学合作，在真空舱中对小推力液体发动机进行试验研究陬31，同样对发动机羽流中液滴的尺寸、运动和分布等特性给予了特别关注。进入90年代以后，计算方法和计算能力都有了很大提高，CFD方法和计算稀薄流的DSMC方法开始广泛应用于燃烧流动和羽流计算中，为更准确的计算液滴污染提供了有力工具。随着我国航天事业的不断发展，航

4、天任务更加密集，对航天器可靠性的要求不断提高。航天设计部门越来越关注姿控发动机工作时的羽流污染效应问题。本文针对姿控发动机液相污染问题对国内外的研究情况进行总结分析，试图找到解决此问题的合理途径和有效方法，为分析和防护姿控发动机液滴污染提供参考。2液相污染的形成和危害由于精确控制需要，液体姿控发动机在工作过程中多处于脉冲状态，造成其推力室中燃烧流动状态频繁切换，多处于未完全燃烧状态。大尺寸的推进来稿日期：2011-06-03；修回日期：2011-1)6-25。作者简介：唐振宇(1984．02一)，男，博士研究生，研究方向为液体火箭发动机流动燃烧及羽流污染仿真研究。基础研究载人航天2011年第4

5、期剂液滴无法完全蒸发，在发动机喷管中被气动力加速，以很高的速度飞出发动机喷管，进入羽流场，其速度可达30m／s～1500m／s。这些高速运动的液滴一旦撞击航天器或敏感元件表面，便会造成对表面的磨损，或沉积于光学表面造成其性能下降，如图1所示。另外，易挥发的液滴进入低压环境后会迅速蒸发掉部分质量，蒸发吸收的热量使其剩余部分凝固成为固相颗粒，具有更大的破坏力。图2显示了以MMH／NTO为推进剂的10N发动机的羽流直接撞击6m距离外的铝质表面(镜面)后对平面造成的损伤⋯。从图中可以看出，由于液滴的磨损作用，表面已非常粗糙。一一一一一．一一一3瓣0m／s-4500m凳／s国垂一———一’l、l《高速运

6、动液滴bN零l帆m500umN“凶凹图1羽流中液滴污染示意图2羽流中液滴撞击对铝质表面(镜面)造成的损害3仿真分析对羽流污染的研究一般可分为三个过程：发动机燃烧室内污染物的产生源；污染物通过喷管加速，向环境膨胀扩散的输运；燃烧产物在航天器表面的撞击，沉积过程及污染气体与航天器结构的相互作用过程。对羽流液相污染的仿真分析亦可按此三个过程分别分析。3．1液相污染物的产生液相污染物产生于发动机燃烧室，因此为准确计算污染必须从发动机燃烧室开始。小推力液体火箭发动机应用于姿态控制时，一般处于脉冲工作状态，每个工作脉冲中典型的开机时间为几十到几百毫秒，频繁开关机造成发动机燃烧效率降低，液滴的蒸发过程受到影

7、响，进而使尺寸较大的液滴无法完全蒸发燃烧，成为羽流液相污染物。从以上分析可知，为计算燃烧室中液相污染物的产生，必须将燃烧室中的喷注雾化、液滴运动、液滴蒸发、气体燃烧流动等过程耦合考虑，并且进行非稳态的计算。由于需要考虑的过程非常复杂，一种比较实际的简化方法是将燃烧室气相参数视为零维，即集总参数方法；但液滴运动仍以三维考虑。CONTAM用于计算燃烧室参数的子模块TCC正是基于这种思想f41。图3显示