【《吸气式电推进进气道系统性能仿真分析案例》6200字】

吸气式电推进进气道系统性能仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17127吸气式电推进进气道系统性能仿真分析案例 1191461.1基础模型及参数设置 1123441.1.1基础模型 16681.1.2参数设置 2219091.2进气道性能的影响因素 3183521.2.1几何形状的影响 351201.2.2长度的影响 5235821.2.3入出口截面比的影响 7321991.2.4轨道高度的影响 9264161.2.5加装集气段的影响 10如前所述，进气道系统是吸气式电推进的两个核心组成部分之一，其对轨道气体的收集效果直接决定了吸气式电推进系统能否在超低轨道下正常运行。由于对进气道系统性能产生影响的已知和未知因素众多，本章采用第二章所述的TPMC模型对进气道系统进行了仿真计算，分析了几何形状、长度、入出口截面比、轨道高度以及加装集气段对其气体收集性能的影响。基础模型及参数设置根据Wirz等人的研究发现[60]，进气道的尺寸参数需要参考航天器的冲压面尺寸、长度和推进器的半径来进行设计。本研究是以能够工作在超低轨道下的低成本小型化卫星为应用对象，其特征尺寸一般为10-1m数量级，基于此尺寸进行如下设置。基础模型选取入口半径为5cm，出口半径为1cm，长度为10cm的抛物线型、圆台型和棱台型进气道为基础模型，如图3-1所示。采用三维造型软件Pro/Engineer分别建模，将数据以ASCII码格式保存为STL格式文件，STL文件包含了读取其数据的点坐标，矢量坐标等全部参数，用以作为计算时的壁面结构数据。(a)抛物线型(b)圆台型(c)棱台型图3-1三种形状的基础模型示意图参数设置在进气道仿真中，若未特别提及，参数设置遵循以下描述。考虑模拟环境为海拔200km高度的轨道环境，根据Diamant[14]的研究可知在100km以上轨道高度时稀薄大气对进气道的壁面温度影响不大，可认为装置的温度等于其所处环境的温度。查找美国标准大气数据资料(U.S.StandardAtmosphere(1976))[61]，资料显示，离地面200km高度处，大气温度为854.56K，压强8.474×10-5Pa，大气分子平均自由程240m，航天器相对大气速度为7.9km/s。结合式(2-1)、(2-2)与进气道结构参数，可对来流流量进行计算，如式(3-1)所示。 (3-1)计算可以得到，Qf=0.9952mL/min。以此计算结果作为输入数据参考，本文仿真时选取大气温度为854.56K，来流流量以0.9952mL/min进行计算。在实际进气道系统在轨工作过程中，进气道内部材料以及表面状况即内壁光滑程度对粒子反射方式有很大影响，进而影响其集气性能。本文仿真中考虑反射方式为理想镜面反射与漫反射的情况分别进行计算分析。进气道性能的影响因素几何形状的影响采用第2.1节所述TPMC计算方法对所建立的抛物线型、圆台型和棱台型进气道的基础模型进行性能仿真计算。图3-2(a)显示了10cm长的圆台型进气道在漫反射下稳态后某一时刻仿真计算的粒子运动图像。图3-2(b)显示了稳态后10cm长的圆台型进气道在漫反射下壁面的压强分布图。(a)粒子运动图(b)压强分布图图3-2漫反射条件下的10cm圆台型进气道仿真图像图3-2(a)中红点表示被吸附的粒子，蓝点表示从入口新进入的粒子，绿线显示粒子在空间中的运动轨迹。由图3-2(b)可以看出，进气道入口处壁面所受到的压强与所模拟高度环境的大气压强大致是相同，约为8.47×10-5Pa，不足10-4Pa，气体粒子在进气道内与壁面碰撞后，朝出气口方向逐渐被压缩，压强也逐渐变大。在漫反射条件下此结构可以实现约2.58倍的压缩效果。表3-1和表3-2分别给出了漫反射和镜面反射条件下不同形状基础模型的计算结果与文献[5]中的数据结果对比。表3-1漫反射条件下仿真结果对比形状压缩比集气效率(本文)/%集气效率(文献)/%误差/%抛物线型2.468.968.752.4圆台型2.588.388.460.9棱台型2.438.458.351.2表3-2镜面反射条件下仿真结果对比形状压缩比集气效率(本文)/%集气效率(文献)/%误差/%抛物线型120.7395.7794.251.6圆台型24.8626.1327.063.4棱台型26.4729.1726.749.0可以发现，在漫反射条件下，入口半径为5cm，出口半径为1cm，长度为10cm的抛物线型、圆台型和棱台型进气道对来流的收集效率和压缩比无较大差别，这是由于相较于不同形状带来的性能影响，漫反射方式下碰撞运动的随机性起了主导作用。镜面反射条件下，三种形状的进气道对来流的收集效率和压缩比与漫反射条件的结果截然不同，抛物线型进气道的集气效率和压缩比显著高于圆台型和棱台型进气道，集气效率高达95.77%，压缩比达到了120.73倍，性能最优。圆台型进气道集气效率为26.13%，压缩比为24.68倍，棱台型进气道集气效率为29.17%，压缩比为26.47倍。对比可以发现，棱台型进气道性能稍优于圆台型进气道。计算结果中集气效率和相关文献的仿真结果整体吻合较好[5]，漫反射条件下误差均小于2.4%，镜面反射条件下误差稍高于漫反射条件下的误差，但均小于9.0%，验证了计算模型的准确性。同时圆台型进气道压缩比性能结果可与文献[62]相对应，这也证明了此方法的科学性和准确性。为直观观察进气道内部压强变化情况，探讨其气体压缩规律，本文选取镜面反射条件下，10cm入口直径，10cm长度的抛物线型进气道作为典型，观察其中心部分平均压强分布，结果如图3-3所示。图3-310cm长抛物线型进气道中心处的平均压强分布图根据图3-3的结果可以发现，在靠近进气口的3/4段气压升高缓慢，进气道对气体的压缩速度逐渐加快。进气道对气体的压缩效果主要体现在距离出口处的1/4段处，大约可以实现总压缩效果的70%。计算出口入口压强比值，可得到该结构在镜面反射下可以实现空间大气约120倍的被动压缩效果，获得气体压强约为1.016×10-2pa。长度的影响设置进气道入口半径为5cm，出口半径为1cm，在5cm、7.5cm、10cm、12.5cm和15cm五种不同的长度，计算不同几何形状进气道的集气效率与压缩比。抛物线型进气道仿真结果如表3-3所示。表3-3抛物线型进气道仿真结果进气道长度/cm集气效率(镜面反射)/%集气效率(漫反射)/%压缩比(镜面反射)压缩比(漫反射)510.206.462.751.627.571.277.47102.681.911095.778.96120.732.4612.598.7610.06116.532.861599.8810.63109.072.71圆台型进气道仿真结果如表3-4所示。表3-4圆台型进气道仿真结果进气道长度/cm集气效率(镜面反射)/%集气效率(漫反射)/%压缩比(镜面反射)压缩比(漫反射)58.326.323.811.577.517.907.5017.54325+1.931026.138.3824.862.5812.542.989.0720.583.051557.099.5519.022.74棱台型进气道仿真结果如表3-5所示。表3-5棱台型进气道仿真结果进气道长度/cm集气效率(镜面反射)/%集气效率(漫反射)/%压缩比(镜面反射)压缩比(漫反射)510.136.383.761.537.517.887.5818.612.051029.178.4526.472.4312.542.539.0722.592.961558.859.5220.132.67对以上仿真的不同参数的进气道集气效率结果做条形图进行对比分析，可以得到边界漫反射条件下的结果如图3-4(a)所示，边界镜面反射的结果如图3-4(b)所示。(a)漫反射条件下的集气效率(b)镜面反射条件下的集气效率图3-4不同形状下集气效率随进气道长度的变化由图3-4(a)可知，在漫反射的条件下，由于其碰撞过程中较大的随机性，抛物线型、圆台型和棱台型进气道的气体收集性能差别较小，然而相比较而言，在每种进气道长度下，抛物线型的集气效率都是稍高于其他两种形状，圆台型和棱台型进气道性能无明显差别。集气效率与进气道长度存在正相关关系，在五种长度设计中5cm长圆台型进气道性能最差，集气效率为6.32%，15cm长抛物线型进气道具有最佳性能，集气效率为10.63%。由图3-4(b)可知，镜面反射理想条件下的进气道的集气效率明显优于漫反射，此时集气效率与进气道长度间存在非常显著的正相关关系。由于抛物线的光学特性，抛物线型进气道气体收集性能明显优于其他两种形状，且随着进气道长度的适度增加，这种优势会趋于增大，长度达到10cm之后所带来的性能提升更多的体现在圆台型和棱台型进气道上，在进气道长度低于15cm时，圆台型和棱台型进气道集气效率随长度的变大基本呈现线性增长。另外可以观察到在15cm长度下抛物线型进气道集气效率接近100%，这是因为其数学焦点在此参数下实际上接近于进气道的出口部位。对以上仿真的压缩比结果做条形图进行对比分析，得到边界漫反射条件下的结果如图3-5(a)所示，边界镜面反射的结果如图3-5(b)所示。(a)漫反射条件下的压缩比(b)镜面反射条件下的压缩比图3-5不同形状下压缩比随进气道长度的变化由图3-5(a)和图3-5(b)可知，镜面反射条件下的压缩比性能远远优于漫反射，压缩比随进气道长度增加先增大后减小，漫反射条件下在长度为12.5cm时压缩比最大，由于镜面反射的非随机性导致压缩比对长度变化更加敏感，镜面反射条件下在长度更短的10cm时压缩比最大。不论何种形状的进气道，5cm长进气道的压缩比都显著低于其他长度进气道的压缩比，尤其在镜面反射条件下对比更加明显。抛物线型进气道在漫反射下压缩比与其他两种无较大差别，在镜面反射条件下大约是其他两种形状进气道压缩效果的4倍。由于压缩比对于漫反射条件敏感度较低且镜面反射下压缩比性能远远优于漫反射，因此接下来的研究中只考虑镜面反射下进气道的压缩比性能。入出口截面比的影响进气道入出口截面比的影响通过设置进气道入口半径5cm不变，设置出口直径分别为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm进行仿真。由于抛物线型进气道性能较优，不同参数输出更能体现出性能差别，因此本部分选择几何形状为抛物线型进行研究。为了对不同参数的抛物线型进气道的数学参数进行计算，将坐标原点作为抛物线型进气道的假想顶点，以y轴方向为进气道轴向方向，以x轴方向为径向方向建立直角坐标系，构建基础方程如式(3-2)所示的抛物线模型， (3-2)改变出口的直径大小，抛物线的参数k也会随之发生变化，对不同出口直径对应的参数k、出口和焦点的坐标位置进行计算，计算结果如表3-6所示。表3-6不同出口直径的抛物线型进气道参数出口直径/cm参数k出口纵坐标/cm焦点纵坐标/cm10.4040.1010.61920.4170.4170.60030.4390.9880.56940.4761.9040.52550.5333.3310.46960.6255.6250.400观察计算数据可以发现，出口直径为1cm和2cm时，抛物线的焦点位于进气道内，出口直径为3cm及以上时，焦点位于进气道外，对这六种参数的结构分别进行仿真，得到结果如表3-7所示。表3-7不同出口直径下的仿真结果出口直径/cm入出口截面比集气效率(镜面反射)/%集气效率(漫反射)/%压缩比(镜面反射)1100.0037.142.3755.84225.0095.778.96120.73311.1199.9918.32108.6146.2599.9929.5696.775499.9940.9693.1562.7899.9953.4984.58由表3-7可以得知，随入出口截面比减小，进气道集气效率不断提高，压缩比先增大后减小。进气道出口直径为3cm及以上时，在理想的镜面反射下其集气效率接近于100%，这是由于抛物线的光学性质作用。将集气效率数据进行作图分析，结果如图3-6所示。图3-6不同反射条件下出口直径对集气效率的影响观察仿真结果可以发现，在漫反射条件下，随着出口直径的增大，进气道的集气效率大致是线性提升的，同时提升的速度也略微加快。在镜面反射条件下，当出气口直径为1cm时，只有37.14%的集气效率，而当出气口直径为3cm及以上时，集气效率约等于100%。出现以上现象的原因是：随着出气口直径的增大，抛物线型进气道的光学焦点的位置在不断变化，当抛物线的入口出口面积趋于统一时，光学焦点会越来越远地位于进气道出气口外部，这会增加对粒子的收集效率，这种提升在漫反射和镜面反射条件下都有所表现，在镜面反射下表现更明显。轨道高度的影响轨道高度变化会引起吸气式电推进所处环境的多项参数的变化，其中在本文进气道系统研究中关注的主要参数有大气温度，压强和航天器速度，这些参数会对粒子热速率和来流流量产生影响，进而对进气道集气性能产生影响。本节选择130~300km高度范围中130km，200km和300km三个代表性高度来研究轨道高度对进气道性能的影响。根据U.S.StandardAtmosphere(1976)[61]可以获得各个高度下的温度与压强，据此计算相关参数数值，如表3-8所示。表3-8不同高度下的系统参数高度/km压强/pa温度/K粒子最概然速率/m·s-1航天器速度/km·s-1来流流量/mL·min-11301.251×10-3469.27646.387.82314.6922008.474×10-5854.56872.277.7810.99523008.770×10-6976.01932.197.7230.103仿真计算不同轨道高度下5cm入口半径，1cm出口半径，10cm长度的抛物线型进气道的集气性能，结果如表3-9所示。表3-910cm长抛物线型进气道性能仿真结果高度/km集气效率(镜面反射)/%集气效率(漫反射)/%压缩比(镜面反射)13096.308.96134.6120093.948.95120.7330091.918.95107.05由表3-9可知，随着轨道高度增加，10cm长抛物线型进气道在镜面反射下的集气效率与压缩比都有所降低，而漫反射下的集气效率基本不发生变化。结合表3-8数据可以分析出其原因为：当轨道高度越大时，大气粒子的热速率也就越大，这代表了粒子的无序性运动越强，所以对进气道的聚焦效果会产生越大的负面影响，进而降低了进气道的集气效率和压缩比。由于轨道高度带来的粒子热速率对漫反射的随机碰撞运动影响小，因此漫反射下的集气效率基本不受轨道高度影响。仿真计算不同轨道高度下10cm长度的圆台型进气道的集气性能，结果如表3-10所示。表3-1010cm长圆台型进气道性能仿真结果高度/km集气效率(镜面反射)/%集气效率(漫反射)/%压缩比(镜面反射)13026.238.3725.4820026.228.3924.8630026.288.3624.37随高度升高，10cm长圆台型进气道集气性能变化不明显，结合3.2.1节的分析可以知道这是由于此形状进气道的聚焦效果差引起的，由此可以得到在性能较差的进气道中，轨道高度对其集气性能的影响较小的结论。加装集气段的影响以往研究发现，在进气道系统入口端采用蜂窝状多管结构能显著增加其在漫反射条件下的集气效率[11]，此时反射气体分子需要经多管结构才能返回大气，这个过程中气体分子会与多管结构内壁多次碰撞，漫反射的随机性会使碰撞后分子运动难以预估，当碰撞次数越多，相比较于没有此结构的进气道系统，回流粒子在朝出口运动时会变得更加难以逃逸，由此可以产生提高进气道的集气效率，由文献得知多管结构对压缩比影响较小[11]，故在此不做探讨。此节考虑在前述5cm入口半径，1cm出口半径，10cm长度的抛物线型进气道前加装多管结构的集气段结构，研究在漫反射条件下集气段参数设置对进气道系统集气效率的影响，结构示意图如图3-7所示。为方便区分，在此节及以后将以上未加装集气段的进气道结构统也称为压缩段。集气段的特征参数主要有长度和小管直径。仿真为了使小管壁厚尽可能小，在对集气段进行建模时所有小管的壁厚设为0.02cm。为了使壁厚不占据有效的进气面积，建模时小管是按照内径相切来排列的，此时小管与小管之间、小管与外管之间会产生很小一部分模型重合，可能会引起试验粒子泄漏。仿真时发现，这种试验粒子泄漏的情况确实存在，但泄漏的粒子数目不到总粒子数的0.03%，可以忽略这种泄漏对仿真结果造成的影响。(a)主视图 (b)左视图图3-7加装集气段的进气道结构示意图固定抛物线型结构尺寸不变，选择集气段长度为4~100cm与小管直径为1cm，2cm和4.1cm时计算系统的集气性能，如图3-8所示。(a)小管直径1cm(b)小