● 摘要
小推力的姿轨控液体火箭发动机是常用的空间推进系统之一，工作轨道高度通常为50km~1000km，甚至更高的高度。高真空环境下发动机喷出的羽流急剧膨胀，羽流中的高温混合燃气会向空间发射出较强的辐射能量，其中红外辐射能量占主要部分。羽流热辐射产生的能量对发动机底部的机械设备和航天器上的探测仪器以及光学敏感元件等加热效应明显，威胁航天器系统的正常工作。因此，研究羽流的红外光谱辐射特性对于指导航天器的底部部件设计、探测仪器以及航天器的热防护、发动机故障诊断、空间光电对抗技术具有深刻的意义。本文采用数值方法模拟了三个推力大小不同的姿轨控发动机的羽流红外特性。
对高真空环境下的羽流流场进行准确模拟是获得羽流红外特性的关键。首先介绍了羽流流场的数学模型和数值求解方法。针对三个推力大小分别为25N、150N、2500N的姿轨控液体火箭发动机，建立了二维物理模型并划分了网格，采用Fluent对不同工作高度下的羽流流场进行了数值模拟，并考虑了化学反应的影响。得到了羽流连续介质区的各组分的浓度、压强、及温度等物理量在空间的分布。气体辐射特性参数是准确模拟羽流红外特性的基础。利用最新的HITRAN 2008和HITEMP 2010光谱数据库，基于逐线积分法编程计算了红外波段羽流主要辐射组分的光谱吸收系数。获得了更准确更高分辨率的红外辐射特性参数，为后续的热辐射计算提供了较为准确的物性参数。基于有限体积法开发的火箭发动机羽流红外辐射传输计算程序，对其进行修改完善使其能够适用于计算姿轨控液体火箭发动机的羽流红外特性。在2.0~12.0μm的波长范围内，利用程序计算了姿轨控液体火箭发动机的羽流的红外特性。针对羽流气体组分、波长、观察天顶角羽流光谱的影响进行了数值计算及分析。最终比较完整地建立了基于有限体积法的高真空环境下的姿轨控液体火箭发动机羽流红外特性的求解模型。结果表明：本文的计算模型和方法能较好地模拟姿轨控发动机羽流的红外辐射特性。