近日，我校空天信息科学与技术学院微纳卫星智能研究院团队在火箭发动机高速屏蔽式电动泵流动与转子-定子相互作用研究方面取得新进展。研究成果“Groove–Hole Topology and Placement Effects on Axial-Force Oscillations in Cavitating High-Speed Electric Canned Motor Pumps”被国际权威期刊《Aerospace Science and Technology》（中科院大类1区Top期刊）正式录用。
《Aerospace Science and Technology》是由Elsevier出版、航空航天领域公认的权威期刊，主要刊载航空航天基础与应用研究成果。该成果以上海电机学院为第一单位，辜小明博士为第一作者，智能制造与机器人学院24级硕士研究生王倩为第二作者（导师组：张健军、辜小明等），张健军副教授为通讯作者。
火箭发动机中高速电动泵具有结构紧凑、无轴封和响应迅速等特点，是火箭发动机推进剂输送系统的核心组件。在空化和高速旋转条件下，叶轮、后腔、泄漏通道及平衡孔区域相互耦合，既会形成持续的轴向载荷，也会产生周期性轴向力波动。前者关系到推力轴承的承载需求，后者则可能诱发转子振动并影响推进剂输送稳定性。
本研究针对电动泵长期运行和定转子环缝摩擦可能使邻近叶轮的静止石墨环出现沟槽状形貌问题开展相关研究。这类沟槽并非原本设计的流动控制结构，却与旋转平衡孔发生周期性相互作用，改变后腔压力传递、局部泄漏流动和周向压力分布。研究发现，石墨环表面沟槽不能简单视为对液力性能没有影响的表面缺陷，缺陷位置、尺寸与叶轮构型耦合作用影响电动泵轴向力性能，机理较为复杂，决定了本研究具有重要科学价值与工程意义。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ast.2026.113818
研究团队建立了包含诱导轮、叶轮、蜗壳、后腔、内部回流通道和平衡孔区域的全流域数值模型，采用 SST k-ω湍流模型和 Zwart–Gerber–Belamri 空化模型，对不同沟槽拓扑、轴向位置和运行工况进行对比分析。研究同时考察平均轴向力、峰峰值波动、均方根波动、频谱响应以及泵扬程和效率，从而将“降低平均载荷”和“抑制载荷振荡”作为相互关联但需要分别评价的关键指标。
在工况设计上，研究设置了无沟槽基准构型、平衡孔完全封堵构型、前置两沟槽和四沟槽构型，以及下游移位并改变沟槽尺寸的 BACK 构型；进一步引入保持沟槽尺寸不变、仅改变轴向位置的 ISO-BACK-4G6H 构型，以区分轴向移位与沟槽 footprint 变化的影响。
在额定质量流量4 kg/s条件下，前置两沟槽和四沟槽构型分别使平均轴向载荷幅值较基准降低54.01%和49.72%，但峰峰值波动分别增加304.93%和369.64%，均方根波动也明显上升。结果表明，沟槽结构虽然能够缓解持续轴向载荷，却可能同步放大周期性载荷，单独以平均轴向力判断结构优劣是不充分的。
原始 BACK-4G6H 构型在保留近似50%平均载荷减缓效果的同时，相较前置4G6H构型将峰峰值和均方根轴向力波动分别降低57.59%和57.91%。进一步的等沟槽尺寸移位对比显示，轴向下游移位本身有利于降低终端时间窗内的轴向力波动，但会削弱平均载荷减缓效果；减小沟槽footprint后，平均载荷减缓效果得到恢复，同时部分波动也随之回升。因此，BACK-4G6H的响应来自轴向移位与沟槽尺寸变化的耦合作用，而不能归因于单一因素。
在较低质量流量2kg/s条件下，4G6H仍使平均轴向载荷幅值降低34.79%，但终端时间窗内峰峰值和均方根波动分别增加448.16%和573.97%。这说明“平均载荷减小、波动增强”的权衡关系在所考察的低流量点仍然存在。
研究还对相同转速和流量下相对较新与老化泵的出口压力记录进行了对比。老化泵的出口压力峰峰值波动和均方根波动分别增加27.62%和17.14%，而平均出口压力变化较小。结果表明，石墨环磨损会强化非定常响应。面向高速电动泵及相关航天推进系统的结构设计和状态评估，应同时关注沟槽数量、尺寸、轴向位置、后腔压力连通方式以及推力轴承载荷限值，并综合考察平均载荷、波动幅值和频谱特征。该研究为表面形貌对高转速电动泵转子-定子耦合作用影响性能提供了分析框架，也为后续开展可控磨损试验、直接轴向力测量和空化可视化研究奠定了基础，对电动泵压式火箭发动机设计与技术发展有重要科学与工程价值。
微纳卫星智能研究院团队实行“校内导师组+企业导师”双导师培养模式，由导师组协同制定培养计划，贯穿开题、中期检查、答辩和工程实践等环节，并通过固定组会、学术交流和项目实践促进师生协同成长，为科研成果产出和工程能力提升提供制度保障。（供稿：空天信息科学与技术学院）
