[科普中国]-羽流试验

简介

在轨发动机在设计寿命中可能进行数万次的点火,逐渐积累下来的羽流污染可以改变星体表面属性或直接损坏科学仪器,直至威胁到卫星的寿命。为研究发动机羽流对卫星的影响,建立针对太阳反光镜,光学仪表和低温红外传感器等重要载荷的羽流污染预报系统,羽流的试验研究是最根本途径1。

试验内容空间环境模拟空间环境的地面模拟系统是羽流试验必须攻克的重大难题。

在STG做肼分解羽流试验的低温真空舱和爱得华空军基地高轨低温舱CHAFF-IV发现,要想在发动机工作时维持真空舱内较高的真空度有两种方案:

(1)体积巨大真空舱和庞大的扩散泵机组;

(2)低温冷阱系统。

STG和CHAFF-IV用液He抽气系统的主要目标是用来冷凝吸附肼分解产生的H2。但液氦冷阱系统的制造和运行费用昂贵,国内装备液氦冷却系统的空间环境模拟舱很少,不可能专门用来做羽流试验。虽然液氮冷阱系统技术成熟,运行成本低廉,但是冷阱壁温一般为90K左右,发动机羽流成分中大部分气体不能得到充分冷凝吸附,舱内真空度无法维持。为解决这一矛盾,必须制造一台发动机,排放气体凝结温度较高,到达冷阱壁面的气体全部被深冷表面捕获,维持舱内真空度不被破坏。

发动机参数模拟发动机的关键参数是气体流过不锈钢盘管后的温升幅度和进入发动机时温度的稳定度。由于发动机结构和材料的原因,设计的盘管壁温低于850℃。为减小发动机入口气流的扰动影响,使发动机燃烧室压力稳定,盘管内气体的流速应远低于声速,但流速过低又会大幅降低换热系数2。

压力场测量用皮托管测试气体压力成熟可靠。因高空羽流场压力测量的特殊性,对探头形状及尺寸的选择和测点位置的要求更高。羽流在喷口附近变化剧烈,直径较大的探针无法测得羽流压力变化特征,同时因从探针入口至压力变送器的测量管路有一定的容积,气体自测量端进入至填充平衡需一定时间,探针口径过小又会影响测量的响应速度,特别是在分子极稀薄的远流场。另外,为尽可能降低皮托管间的相互影响,探针测量端的间距应大于其直径的10倍。

发展史国外学者对羽流及其污染进行了长期的研究并取得了很好成绩,包括一些理论方法的发展和试验测量的研究。 Legge等人分别做了氮气和肼分解羽流压力场的试验研究.国内对羽流的研究主要基于模拟计算,羽流试验研究刚刚起步,程晓丽等曾做过氮气气流的羽流测量工作,积累了宝贵经验,但受试验设备能力限制,远场试验没有达到预期效果3。