双组元姿控发动机真空羽流对航天器污染机制研究

The plume generated by bipropellant attitude control thruster, which is the core of the spacecraft, impacts and contaminates the surface of spacecraft during flight. The inaccuracy evaluation of plume contamination from spacecraft design department can lead to accidents or conservative designs, which influence the safety and advancement of spacecraft. At present the most common model, which describes the plume contamination effects to spacecraft material, is all adsorption model (all pollutant will be adsorbed once arrival at the surface). Obviously, it cannot describe the complex plume contamination mechanism exactly. Our group will focus on the two main mechanisms of plume contamination—adsorption/evaporation mechanism of high-speed, micro liquid-phase plume pollutant to spacecraft surface and adsorption/desorption mechanism of high-speed, rarified gas-phase plume pollutant to spacecraft surface. The related interaction models will be obtained with the combination of theoretical analysis and experimental investigation. Based on the interaction models, the contamination simulation software will be developed and applied for Chinese spacecraft, which will provide technical support for Chinese future spacecraft design.

双组元姿控发动机是航天器的核心装置，其工作时产生的真空羽流会对航天器产生羽流污染。航天器设计部门对羽流污染评估不准，会引发事故，或使设计保守，进而影响航天器安全性和先进性。现有描述羽流污染物与航天器材料作用过程的是到达后全部吸附模型，不能准确描述复杂的羽流污染作用机制。项目组针对羽流高速、微小液相污染物与航天器材料表面的吸附-蒸发机制和羽流高速、稀薄气相污染物与航天器材料表面的吸附-脱附机制，采用理论分析与实验研究相结合的方法，建立羽流液相和气相污染物与航天器材料表面的作用模型，研制羽流污染效应数值模拟软件，对我国航天器进行羽流污染仿真研究，为我国未来的航天器设计提供技术支撑。

双组元姿控发动机真空羽流对航天器的污染效应研究有利于有效评估发动机和星外设备布局，规避故障，确保用于任务开展的关键设备不受影响，同时可以减小不必要的推进剂消耗和防护重量，增加航天器有效载荷，对于提高航天器的安全性与先进性意义重大。.本项目开展双组元姿控发动机羽流液相和气相污染物对材料表面的作用机制研究，建立羽流污染物与航天器材料表面的作用模型，研制双组元姿控发动机羽流污染效应数值模拟软件，并对我国典型航天器进行羽流污染仿真分析，研究成果可为我国未来的航天器优化设计提供技术支撑。.针对羽流液相污染，本项目通过实验和数值模拟研究了液滴与不同浸润性和微结构固体表面在不同温度下的作用动力学，并建立了对应的相图。结果显示，当韦伯数（We）较低时，液滴通常沉积在亲水和疏水表面上，但能在超疏水表面上发生完全反弹；当We较大时，液滴更容易在超疏水和微结构表面上发生飞溅。实验结果还表明，固体表面浸润性、微结构和表面温度均会显著的改变液滴在固体表面上的铺展速度和最大铺展直径。本项目还通过流体动力润滑、傅立叶定律及力的平衡等理论推导了动态莱顿弗罗斯特温度并得到了实验验证。针对羽流气相污染效应，本项目基于气固吸附理论推导了适用于低温低压条件下的动态吸附模型并进行了验证，明确了经典模型中的经验系数与各环境参数之间的关系。同时结合羽流特性建立了低温低压吸附实验系统，对典型羽流气相污染物在压强100Pa以下、壁面温度213-273K范围内的吸附等温线进行了测量，并根据实验结果提出了适用于低压气体在低温壁面吸附的多层吸附等温线模型Multi-Langmuir模型，便于更准确地预测羽流气相污染物在材料表面的沉积量。同时，本项目研制了适用于双组元姿控发动机羽流污染效应分析的数值模拟软件，在多个型号卫星的羽流污染效应分析评估中进行了应用。