随着世界各国深空探测任务的深入推进，航天器对精密、高效的小推力液体火箭发动机需求日益迫切。涡轮作为核心动力装置，面临着在小设计流量下实现高比冲的严苛要求，这为其气动设计与结构优化带来了区别于传统大推力发动机的特殊技术挑战。超声速部分进气冲动式（Supersonic Partial Admission Impulse, SPAI）涡轮因其能在小流量工况下保证足够的叶片高度、有效降低二次流损失而获得广泛应用。然而，其内部由超声速部分进气引起的流动机理异常复杂，目前学界对SPAI涡轮，特别是采用圆形喷嘴构型下的详细流动特征、气动力特性以及喷嘴布置方式的影响机制仍缺乏充分认识，过渡段内的流动机理尚未完全阐明，这制约了发动机性能的进一步提升。

  针对SPAI涡轮内部复杂流动机理及进气布置方式影响机制关键问题，本团队硕士生李童希开展了深入研究。研究成果以题为“Numerical Study on Unsteady Flow of a Supersonic Partial Admission Impulse Turbine”的论文，发表于叶轮机械领域顶级期刊Journal of Turbomachinery。本研究对配置有四个圆形喷嘴的单级SPAI涡轮进行了三维非定常数值模拟，重点对比分析了喷嘴集中布置与对称布置两种方式下的流动特性与性能差异。研究发现：涡轮进气区进气区内激波边界层干涉导致吸力面发生“分离-附着-再分离”， 非进气区内滞止流体形成大尺度低速涡系，在离开进气区的过渡区内存在一个强激波；过渡区通道中经历排空过程，高能和低能气体发生剧烈掺混，导致显著的能量损失；叶片受到非定常低频主导的气动力，当叶片进入或离开进气区域时，会观察到欠冲和过冲现象，会阻碍涡轮旋转或提供额外扭矩；当采用对称喷嘴布置时，掺混损失增强，效率随喷嘴间距的增大而降低，但对称布置有效减小了转子上的横向力和倾覆力矩。此项研究系统阐明了圆形喷嘴SPAI涡轮内部的关键流动机理，特别是过渡段的激波形成、能量损失机制以及叶片动态受力特性，补充了该领域的研究空白。研究深入揭示了喷嘴布置方式对涡轮性能和转子受力的影响机制，为理解SPAI涡轮复杂流动提供了坚实的理论基础。研究成果具有重要的工程应用价值，采用对称布置喷嘴是确保SPAI涡轮运行稳定性和安全性的可行工程解决方案，尤其适用于对转子动力学稳定性要求极高的航天器精密推力控制场景。这为未来深空探测任务中小推力液体火箭发动机的高性能、高可靠性SPAI涡轮设计提供了关键的科学依据和优化方向。

  本论文研究工作得到国家重点研发计划(编号：2023YFB4102203)资助。

集中布置时转子50%叶高处的马赫数分布图

对称布置时单个叶片所受气动力随时间变化曲线：(a)对称布置1，(b)对称布置2