[科普中国]-真空羽流

简介

在真空环境下，发动机羽流将经历连续流、过渡流、稀薄流等流动状态，并伴随非平衡化学反应和多种激波产生等，使羽流流动状态的描述以及相关问题的研究变得极为复杂。

真空羽流的迅速膨胀特性还可能在喷管内部产生激波，影响喷管的工作性能，从而对探测器的稳定起飞带来较大影响。因此，需在探测器底面安装羽流导流装置，来减小探测器上升过程中受到的羽流扰动效应1。

背景火箭（导弹）发射时，高温高速燃气从发动机喷管喷出，形成射流。点火时，射流对处于射流影响区内的物体产生冲击，从而影响火箭（导弹）发射的稳定性。为防止射流对火箭（导弹）造成严重冲击，须设置导流装置，将射流导引至安全的方向和空间进行排放2。

随着载人航天、深空探测的发展，探测器的地外天体发射起飞将会越来越多。如同地面发射，发动机羽流所诱发的振动以及反溅气流会对上升级产生气动力干扰。为了确保起飞任务的安全，需开展基于地外天体起飞的真空羽流导引技术研究。

模拟试验由于羽流的影响可直接关系到探测器的正常工作，仅仅依靠数值仿真是不够的，必须开展羽流导引的地面模拟试验验证。

地面模拟试验的难点有 3 个方面：

1）空间环境的模拟；

2）真实发动机的羽流模拟；

3）数据采集和数据处理。

为了获得真空环境，一般是采用真空舱（含真空抽气系统）的方式，并在真空舱内设置液氮热沉系统，以获得较高的真空度。由于发动机对工作条件要求的苛刻，在羽流导引模拟试验中，如何确保发动机的真实工作状态是关键。鉴于试验模拟的空间环境、试验设备、试验周期以及成本的限制，开展真实发动机的全尺寸羽流导引试验是非常困难的。为此，可进行缩比模拟试验研究，即利用缩比发动机获得相关试验数据，再根据缩比准则计算真实发动机的羽流导流场参数。为确保缩比模拟试验的有效性，必须保证缩比试验流场与真实发动机流场的相似性。要做到两个流场的完全相似实际上是办不到的，通常只要做到主要的参数相同或相似即可，即部分相似。采用部分相似所得到的试验数据即使通过修正也无法推算出完整的流场参数，因此，为验证导引方案的导流效果并获得完整的流场参数，还需要在缩比试验和充分仿真分析的基础上，进行全尺寸的羽流导引试验验证。