基于物理规划的固体火箭发动机不确定性优化设计

在基于建模与仿真的固体火箭发动机设计过程中客观存在许多不确定性,决策不确定性定义为设计与优化问题描述和决策过程中存在的模糊性。传统优化设计模型将优化设计问题作为确定性问题求解,可能会漏掉真正的工程实际可接受的最优结果。采用物理规划方法建立优化设计模型,可得到综合满足多个设计准则的Pareto解。以固体火箭发动机总体方案优化设计为例,证明了物理规划方法作为固体火箭发动机设计决策不确定性建模方法的有效性。     

冲击作用下推进剂变形的流固耦合分析方法

固体火箭发动机的点火过程是一个复杂多变的理化过程,具有时间短、升温、升压梯度大等特点。针对固体火箭发动机点火过程中的装药结构完整性问题,文中建立了一套用于分析冲击作用下固体推进剂变形现象的仿真模型。采用RANS和ALE方法,分别对流体域和固体域进行求解,以两场独立交叉耦合迭代的模式实现了仿真过程。以一个推进剂冷流冲击实验作为算例,对仿真模型进行了验证,计算值与测量值间误差不超过10%,仿真模型计算可靠,具有向固体火箭发动机实际点火过程拓展的价值。     

无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程内流场计算

本文提出了计算无喷管固体火箭发动机压力建立过程的 P(x,t)模型,它的控制方程是一组一维非定常两相非平衡流和一组一维非定常两相非平衡流动力学方程,该方程采用 MacCormack 显示差分格式求解.本文还建立了在跨音速和超音速气流流动下的侵蚀燃烧模型,该模型适用于无喷管固体火箭发动机.利用本文的模型可精确预示无喷管固体火箭发动机点火瞬变过程的内弹道性能,并可研究无喷管固体火箭发动机的内流场变化规律.     

整体式固体火箭冲压发动机的应用性能探讨

研讨了整体式固体冲压火箭发动机的工作原理及技术难点，建立了整体式固体火箭冲压发动机和导弹运动数学模型，并进行了仿真计算和分析；研究了整体固体火箭冲压发动机的应用性能。     

一种固体火箭发动机内弹道性能数字仿真研究

研究了固体火箭发动机内弹道性能数字仿真方法，包括确定其随机变量，提出根据试验数据修正压强和推力的计算公式和数字仿真模型。该方法可用于固体发动机方案选择、性能评定及流场计算。对某固体火箭发动机的内弹道性能进行了数字仿真，得出了燃烧时间平均压强和平均推力、最大压强、比冲和总冲等内弹道性能参数的均值和方差。计算结果和实验数据符合较好，说明该仿真模型计算可靠。     

航天器发动机羽流对敏感器热效应仿真研究

采用差分求解N-S方程与DSMC方法相结合的方法,研究了航天器单台发动机连续工作情况下真空羽流对航天器敏感器的热效应。首先通过求解N-S方程,获得发动机喷管的内流场,然后应用DSMC方法对喷管出口外轴对称羽流场进行计算,最后将轴对称羽流场计算结果作为模拟粒子入口边界条件,在并行计算机平台上进行三维羽流场和热效应计算得到航天器单发动机连续工作情况下羽流场对敏感器的热效应。以两个敏感器为例,对仿真结果进行了分析和比较,并得出了相应结论。     

长时间工作固体火箭发动机燃烧室热防护层烧蚀计算

为了研究长时间工作固体火箭发动机燃烧室的热防护性能,运用三方程烧蚀模型和运动边界显示差分格式,对长时间固体火箭发动机内绝热层烧蚀及温度场进行了耦合计算.计算得到了化学烧蚀率、扩散烧蚀率、燃烧室内壁温度等参数.计算结果表明,所研究的长时间工作发动机燃烧室烧蚀由扩散过程控制.此外,在求解烧蚀子程序时,提出了一种简便有效的赋...     

基于Pro/E的参数化驱动固体发动机模装设计

为实现参数化驱动的固体火箭发动机结构设计、零件装配及其与平行层燃面退移的一体化集成，以Pro/E族表技术为核心，利用WinForm框架和XML等技术，提出了实现固体火箭发动机结构参数化模装设计和整机自动化装配的技术途径，实现了发动机各零部件三维模型的参数化驱动及发动机整机的自动化装配，实现了复杂三维药柱退移过程中的拓扑结构变化。该研究开发完成固体火箭发动机结构参数化模装设计软件系统，系统中包含29个发动机零件，通过灵活设定结构参数，可自动化构建多达720种不同结构形式的发动机结构实体模型，实现平行层燃面退移，得到发动机工作过程中的动态结构质量特性，同时计算出发动机的内弹道性能，并且具有可扩展性。该技术能够为进一步研究固体火箭发动机的设计、仿真、优化的一体化系统奠定基础。     

水下固体火箭发动机尾流场计算

采用了二维定常气流场模型和轴对称理想水流场模型,对水下工作固体火箭发动机尾流场进行了耦合数值求解。考虑了高温燃气与水介质之间传热、汽化等对内部气体流动的影响,数值模拟了尾流场中压强、温度在发动机尾流场中沿轴向、径向的分布规律和特征及参数变动对喷管性能的影响,所获得的流场压强、温度分布规律可为水下工作固体发动机设计提供依据。     

固体火箭发动机虚拟样机集成设计环境

为支持固体火箭发动机基于虚拟样机的设计技术,提出了固体火箭发动机虚拟样机集成设计环境软件架构。介绍了支持固体火箭发动机虚拟样机的集成设计环境(SRM IDE),该环境集成了发动机设计常用软件和商用软件,以项目管理为中心,采用分布式体系结构,支持分布在异地的设计人员协同构建发动机虚拟原型和协同仿真,以及发动机设计过程中文档、数据、流程、产品结构及资源等的管理。     

基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化

固体运载火箭设计属于典型的多学科设计问题,为提高同体运载火箭设计水平和缩短研制周期,提出了基于物理规划的固体运载火箭多学科设计优化方法.建立了固体运载火箭多学科系统分析模型,以卫星轨道设计计算得到的运载火箭关机点参数和最小火箭起飞质量为设计准则.采用物理规划方法构造系统级火箭总体设计优化模型,以发动机总体性能指标为设计准则,采用物理规划方法构造子系统级发动机设计优化模型.通过系统级总体设计优化和并行的子系统级发动机设计优化的嵌套循环,得到满足火箭运载能力的各级固体发动机最优设计结果,即得到内外弹道相匹配的发动机最优推力-时间曲线.     

双脉冲固体火箭发动机燃烧室声腔特性仿真分析与试验研究

相比传统固体发动机,双脉冲固体火箭发动机利用隔舱装置将推进剂装药分段隔离,实现二次启动和间歇推力。因其燃烧室声腔结构复杂,声腔特征长度的定义模糊,导致无法准确计算燃烧室声腔模态频率。为了深入研究发动机声模态特性,避免燃烧室声腔与弹体结构或发动机内流场发生耦合、诱发不稳定燃烧现象,通过仿真分析获得了声腔的固有频率和振型,结合试验结果验证了数值模型的正确性,并首次明确了燃烧室特征长度的提取方法,对圆柱形声腔频率计算公式进行了修正,建立了适用于双脉冲固体火箭发动机的声腔频率计算模型,提高了发动机声模态分析的效率和精度。     

RBCC可重复使用运载器上升段轨迹优化设计

针对火箭基组合动力(RBCC)可重复使用运载器(RLV)轨迹多段、多控制变量、推力与飞行轨迹耦合,飞行轨迹设计困难的问题,提出了基于高斯伪光谱方法的数值优化求解模型和求解方法,并获得满足要求的上升段燃料最省轨迹。将该轨迹分为3部分,分别由引射火箭、亚燃冲压和超燃冲压发动机提供动力,以攻角和燃料秒流量为控制变量,根据轨迹任务和各模态发动机启动及工作条件建立优化模型、设定各段末端和路径约束,利用高斯伪谱法求解最优轨迹并利用特殊方法计算边界控制变量。通过与传统方法所得轨迹的对比表明,所建立的优化模型和方法可快速求解出RBCC运载器上升段最优轨迹,优化结果符合RBCC运载器工作特点。     

固体火箭发动机燃烧室喷管统一流场计算

采用ＳＩＭＰＬＥ算法的可压缩形式求解固体火箭发动机燃烧室喷管内的全速度统一流场;在非交错的配置网格基础上用有限体积法离散Ｎ－Ｓ方程,采用强隐式算法（ＳＩＰ）求解线性代数方程组;采用边界标志法实现复杂几何形状下的多区域统一计算;采用喷管外型逼近法保障计算稳定性;通过与同类计算结果的对比表明：上述算法的组合能够成功地获取固体火箭发动机内流场的整体结构。     

基于流-固耦合的混合火箭发动机固体燃料表面退移速率计算

基于流-固耦合的方法,在充分考虑混合火箭发动机工作过程中诸多复杂物理过程的基础上,建立了一个可适用于不同工作状况下混合火箭发动机固体燃料表面退移速率预示的计算模型。计算结果与实验数据的对比验证了所建立计算模型的准确性。对模型发动机进行模拟的结果表明,混合火箭发动机中的燃烧、流动及固体燃料表面的退移速率具有明显的不均匀性,发动机中的固体燃料表面的退移速率沿轴向近似地呈“W”形状的曲线变化;在混合发动机中,突扩形状的预燃室和补燃室有利于燃料热解气体和氧化剂气体的扩散混合,可以强化对固体燃料表面的换热,提高固体燃为表面的退移速率。     

微型固体火箭发动机点火增压过程瞬态燃速辨识

建立了微型固体火箭发动机点火增压过程一维非定常仿真模型;基于发动机点火增压物理过程,采用拉丁超立方设计方法进行了仿真试验设计,得到了传热模型参数和不同压强范围瞬态燃速模型参数的最优估计。计算和试验结果的对比表明,辨识所得模型参数合理,修正后的dp/dt燃速模型适用于微型固体火箭发动机升压速率较高的情况。     

非结构网格技术应用于固体火箭发动机内流场数值模拟

从二维欧拉方程出发，采用非结构网格技术对固体火箭发动机内流场进行数值模拟，研究了点火初期、燃烧过程中和燃烧结束时固体火箭发动机燃烧室不规则物理区域内形成的复杂流动，分析了流场结构及特性，并对在这一领域应用非结构网格技术存在的问题进行分析。     

固体火箭发动机撞击安全性数值分析

针对固体火箭发动机撞击安全性问题,采用数值分析方法,建立了某两型高能固体火箭发动机轴向与径向撞击模型,完成了不同速度、不同撞击角度下的发动机安全性分析计算,得到了在不同撞击条件下固体火箭发动机推进剂的燃烧、爆炸等反应特点。对比相同工况下的火箭撬试验结果,计算结果与实际试验接近,验证了数值模型及参数的正确性。利用已验证的模型和参数,采用相同的计算方法,通过对模型在不同速度下进行多次仿真计算,得到两型发动机的撞击临界速度。研究表明,对于高能固体推进剂固体火箭发动机,随着尺寸与装药量增大,其撞击安全性降低,在相同尺寸时,径向撞击比轴向更容易发生反应。研究结果为高能固体火箭发动机的设计及撞击安全性分析提供了参考。     

固体火箭发动机金属壳体结构可靠性数字仿真

研究用高强钢制作的固体火箭发动机壳的可靠性数字仿真及其程序，以混合同余法产生伪随机数，并检验了其独立性和均匀性，用所产生的随机数对固体火箭发动机金属壳体的可靠性进行了仿真计算，得出了其可靠性。     

基于遗传算法的固体火箭发动机参数辨识

固体火箭发动机参数辨识为非线性受约束优化问题,经典算法求解此类问题时初值敏感、局部收敛等问题表现较为突出.针对上述难题,将具有良好全局收敛性的遗传算法用于固体火箭发动机参数辨识,得到推进剂燃速模型和喉径变化模型的全局最优辨识值.计算结果表明,固体火箭发动机参数辨识采用遗传算法求解可行,计算结果与试验结果吻合良好.