[科普中國(guó)]-真空羽流

簡(jiǎn)介

在真空環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)羽流將經(jīng)歷連續(xù)流、過渡流、稀薄流等流動(dòng)狀態(tài)，并伴隨非平衡化學(xué)反應(yīng)和多種激波產(chǎn)生等，使羽流流動(dòng)狀態(tài)的描述以及相關(guān)問題的研究變得極為復(fù)雜。

真空羽流的迅速膨脹特性還可能在噴管內(nèi)部產(chǎn)生激波，影響噴管的工作性能，從而對(duì)探測(cè)器的穩(wěn)定起飛帶來較大影響。因此，需在探測(cè)器底面安裝羽流導(dǎo)流裝置，來減小探測(cè)器上升過程中受到的羽流擾動(dòng)效應(yīng)1。

背景火箭（導(dǎo)彈）發(fā)射時(shí)，高溫高速燃?xì)鈴陌l(fā)動(dòng)機(jī)噴管噴出，形成射流。點(diǎn)火時(shí)，射流對(duì)處于射流影響區(qū)內(nèi)的物體產(chǎn)生沖擊，從而影響火箭（導(dǎo)彈）發(fā)射的穩(wěn)定性。為防止射流對(duì)火箭（導(dǎo)彈）造成嚴(yán)重沖擊，須設(shè)置導(dǎo)流裝置，將射流導(dǎo)引至安全的方向和空間進(jìn)行排放2。

隨著載人航天、深空探測(cè)的發(fā)展，探測(cè)器的地外天體發(fā)射起飛將會(huì)越來越多。如同地面發(fā)射，發(fā)動(dòng)機(jī)羽流所誘發(fā)的振動(dòng)以及反濺氣流會(huì)對(duì)上升級(jí)產(chǎn)生氣動(dòng)力干擾。為了確保起飛任務(wù)的安全，需開展基于地外天體起飛的真空羽流導(dǎo)引技術(shù)研究。

模擬試驗(yàn)由于羽流的影響可直接關(guān)系到探測(cè)器的正常工作，僅僅依靠數(shù)值仿真是不夠的，必須開展羽流導(dǎo)引的地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

地面模擬試驗(yàn)的難點(diǎn)有 3 個(gè)方面：

1）空間環(huán)境的模擬；

2）真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流模擬；

3）數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

為了獲得真空環(huán)境，一般是采用真空艙（含真空抽氣系統(tǒng)）的方式，并在真空艙內(nèi)設(shè)置液氮熱沉系統(tǒng)，以獲得較高的真空度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)工作條件要求的苛刻，在羽流導(dǎo)引模擬試驗(yàn)中，如何確保發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)工作狀態(tài)是關(guān)鍵。鑒于試驗(yàn)?zāi)M的空間環(huán)境、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)周期以及成本的限制，開展真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的全尺寸羽流導(dǎo)引試驗(yàn)是非常困難的。為此，可進(jìn)行縮比模擬試驗(yàn)研究，即利用縮比發(fā)動(dòng)機(jī)獲得相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再根據(jù)縮比準(zhǔn)則計(jì)算真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流導(dǎo)流場(chǎng)參數(shù)。為確?？s比模擬試驗(yàn)的有效性，必須保證縮比試驗(yàn)流場(chǎng)與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)的相似性。要做到兩個(gè)流場(chǎng)的完全相似實(shí)際上是辦不到的，通常只要做到主要的參數(shù)相同或相似即可，即部分相似。采用部分相似所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)即使通過修正也無法推算出完整的流場(chǎng)參數(shù)，因此，為驗(yàn)證導(dǎo)引方案的導(dǎo)流效果并獲得完整的流場(chǎng)參數(shù)，還需要在縮比試驗(yàn)和充分仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全尺寸的羽流導(dǎo)引試驗(yàn)驗(yàn)證。