题目：真空羽流效应实验系统关键技术及羽流气动力实验研究

航天器姿轨控推力器引起的真空羽流气动力问题越来越受到工程部门的重视，开展羽流气动力实验研究是航天器在轨可靠工作的保障。另外，随着羽流机理研究的不断深入，一批羽流数值仿真软件不断成熟，需要大量的实验数据进行模型校验和代码修正。开展羽流气动力实验研究离不开地面模拟实验系统，而地面模拟实验系统的关键是构建大型的羽流真空舱和内置式深冷泵抽气技术，前者为实验提供模拟太空环境的场地，后者用于提供实验所需的高真空环境和维持实验时的动态真空度。本文在前人研究的基础上，依托北航的中俄航天合作项目—真空羽流效应实验系统，结合空间站羽流效应实验研究的工程任务需求，开展了10N推力器羽流撞击平板气动力实验研究。针对实验所需的硬件条件设计了羽流实验平台，实验平台包括工质供应系统、10N钟型推力器和气动力测量装置。实验水平和测试手段都达到了国际先进水平。设计了内直径5.2m、长12.6m的真空舱，该舱为中国首个专门用于羽流实验研究的设备，和美国Ф5m×9m的CHAFF-4真空舱和欧洲Ф6m×8m的IV10真空舱并列为目前研究羽流效应问题的先进设备。该舱采用了大跨度的加强圈方案，便于在真空舱上合理安排各类测量接口、实验工质进出口和深冷泵冷却介质进出口的开孔。舱上直径5.2m的法兰采用了内插式焊接结构，大大节省了舱体材料和成本。首次提出并设计了一种新颖的单轴双销铰链式大门机构，成功地解决了大尺寸铰链式大门的变形和密封问题，保证了大门和舱体法兰的完好贴合。对所设计的真空舱和单轴双销铰链式大门机构进行有限元分析表明设计满足要求，设备多次可靠运行也验证了设计方案的可靠性，有限元仿真结果的合理性。基于全舱布泵概念设计了直径4.2m、长10m的内置式液氦深冷泵，在液氦深冷泵和真空舱壁之间设计了直径4.6m的液氮冷板。由于深冷泵的抽气速率与深冷泵冷板的面积有关，面积越大，抽气能力越强。为了在有限的空间增加液氦冷板的面积，同时也为了降低骨架支撑结构等附属装置对冷却介质的消耗量，首次提出了一种液氮冷板和液氦冷板一体式的结构方案。在此基础上设计了羽流吸附泵，即在液氦深冷泵内部设计了三层套筒形的液氦冷板阵列，使得液氦冷板面积由150m2增加到215m2。对抽速经验公式和采用直接模拟蒙特卡洛方法DSMC（Direct Simulation Monte Carlo）的数值仿真结果进行了比较。首次采用给定冷量的方法对所设计的内置式液氦深冷泵进行了预冷过程分析，计算结果对设备运行和冷却介质储备提供了参考。为开展10N推力器羽流撞击平板的气动力实验，设计了所需的工质供应系统、10N推力器和气动力测量装置。采用缓冲罐的原理确保工质供应系统的压强波动小于0.6%，基于皮托管测压和高精度的微差压变送器设计了气动力测量装置。为了更贴近工程实际，采用真实钟型10N推力器成功地开展了羽流撞击平板气动力实验，获得了三种平板安装位置下平板表面的压强分布。对稀薄气体动力学的基本理论进行了归纳总结，采用NS方程和DSMC耦合的求解方法，计算了10N钟型推力器的内流场参数，并以喷管出口平面的内流场计算结果为输入条件，采用DSMC方法对10N推力器羽流撞击平板模型的气动力效应进行了仿真，实验结果与采用北航PWS软件仿真的结果吻合很好。