影响电弧加热发动机寿命和效率的关键热物理问题研究

我国电弧加热发动机可靠性差,寿命不长,效率低，必须深入研究其独特的工作过程，系统掌握其机理和规律，方能根本解决这些问题。本项目拟对其中关键的工程热物理问题进行多途径的系统研究：观测发动机从冷态起动到热态稳定运行过程中电弧弧根在阳极?喷管表面的动态行为，研究局部烧蚀与起动条件和喷管结构的关联；研究发动机稳态运行性能与其几何结构、输入参数、电弧形态之间的关系；建立能反映大参数梯度、亚声速-超声速流动、多组份及稀薄气体效应等特点的物理?数学模型，研究发动机喷管内电能、热能、化学能、动能之间的转换规律；结合热负荷计算，深入分析喷管内冻结流动损失和电极传热损失等的份额。研究控制电弧发展、改变喷管材料、采用推进剂再生冷却、在喷管外表面镀敷高黑度系数涂层等措施对提高发动机性能的效果及其机理。为改善电弧加热发动机热负荷状况、减少部件烧蚀、延长可靠工作时间、提高推力效率提供科学依据。

针对用于空间飞行器姿态调整和位置保持的千瓦级电弧加热发动机的工作过程和运行机理，以及影响发动机运行稳定性、寿命、效率以及可靠性的因素和其中的关键热物理问题进行了系统的实验和数值模拟研究。研制了多种不同结构、功率的电弧加热发动机，建立和完善了电弧加热发动机实验测量系统，并采用多种方法对电弧加热发动机主要性能和特征参数进行了测量，获得了较为系统的发动机特性实验测量结果；对发动机羽流参数的实验测量表明，发动机羽流显著偏离局域热力学平衡状态；研究了发动机启动过程和喷管温度变化对电弧贴附的影响，观察了弧根在阳极表面的贴附形式（扩散型或集聚型），发现发动机热态启动时有利于在发动机喷管下游扩张段形成扩散型弧根，预热喷管及推进剂，避免弧根在阳极表面的局域集聚贴附，将有利于发动机寿命的延长；确立了简单可行的喷管内壁面及外壁面温度分布的检测方法，得到了合理的喷管温度分布及辐射能量损失分析结果；系统研究了宽范围的氮/氢混合气以至纯氢、氮、氨为推进剂条件下，发动机的运行参数规律，研究显示推进剂的热物性参数显著影响发动机中的能量输入及转化过程。与实验研究相配合，以数值模拟方法对电弧加热发动机内的传热与流动、能量转化规律、以及约束通道内工作气体的热壅塞状况进行了系统的比较研究，揭示了由于气体本身热力学和输运性质的差异而引起发动机特性参数变化的原因。发展了高温部分电离气体物性的计算方法，计算获得了多种气体在较宽压力和温度范围内的热力学和输运性质。对氩、氢电弧加热发动机进行的非平衡数值模拟表明，发动机气体流动存在明显的偏离热力学和化学平衡状态，虽然激发态组分在发动机内含量不高，但是对于阳极电弧贴附过程有着重要影响,进而影响发动机内电流、温度和速度分布。本项研究加深了对该类发动机工作过程、机理和规律的认识，为在我国发展有关技术提供了一定的基础知识。