低温贮箱多路管道增压的一种模糊算法研究

火箭发动机地面试验中,低温推进剂贮箱增压过程的传热、传质以及湍流流动过程十分复杂。贮箱增压系统具有非线性、时间滞后、参数变化不确定等特点,对增压系统难以建立精确的数学模型。因此,以低温推进剂贮箱内压力稳定为目的,提出了采用多路、不同直径管道增压的模糊控制方案;应用模糊控制算法中的最大隶属度法进行解模糊化,制定增压管路的模糊控制表,建立了以压力为控制变量的模糊控制器。分别对预增压过程和保持增压过程的两种工况进行了仿真。仿真结果表明：模糊控制算法能有效提高推进剂贮箱中压力调节的控制精度和响应速度,使得离开贮箱的推进剂压力稳定地满足发动机泵入口的压力和净吸程要求。     

N_2O自增压贮箱的动态供应特性

建立了氧化亚氮(N_2O)贮箱自增压模型并完成了模型校验,获得的贮箱压力计算值与实验结果吻合良好。针对自增压贮箱供应液态介质时的动态工作特性开展了仿真计算,结果表明:在相同的质量流量下,供应液态推进剂比供应气态推进剂更有利于维持箱压和流量稳定;受蒸发吸热作用的影响,自增压贮箱在供应过程中压力总是呈下降趋势。给贮箱加热有利于减缓其压力的下降速度,但存在压力响应滞后、换热面积减小等问题,不易获得稳定的动态供应压力。     

基于专家控制系统的发动机入口压力闭环控制方案

液体火箭发动机在地面试验过程中,试车台推进剂供应系统必须保证发动机的入口压力在任务要求的范围内,而目前采用压力继电器控制进气电磁阀来调节入口压力,这种方式调节精度低,响应滞后。根据试车台增压系统的特点和增压系统开环控制数年所积累的经验,提出基于专家控制思想和以孔板矩阵作为执行机构的压力闭环控制方案。该控制方法无需精确的数学模型,又能按照设定的精度智能调节增压孔板矩阵,使发动机入口压力自动跟随设定值而变化。     

发动机推进剂增压输送系统建模仿真技术综述

建模仿真是研究液体火箭发动机推进剂增压输送系统性能特性的有效手段,仿真可缩短研制周期,减少研制费用。总结了国内外液体火箭发动机推进剂增压输送系统的建模方法、数值求解技术的发展概况,并针对增压输送系统模块化的特点,介绍了航空航天领域主要流体仿真软件的功能及国内外利用商业建模仿真平台进行推进剂增压输送系统仿真研究的应用情况,为大推力液体火箭发动机增压输送系统工作特性仿真研究提供借鉴。     

液氮贮箱自增压实验与数值仿真

为研究低温推进剂在常温下的自增压过程，设计了以液氮为模拟介质可视化低温玻璃贮箱自增压实验系统，研究了自增压过程压力和温度的变化规律及体积充填率对压力和温度变化的影响。实验结果表明：气枕区和液体区存在显著的轴向温度分层，液体区温度的上升速率低于压力引起饱和温度的上升速率。压力上升分为有典型意义的三段：初始段、过渡段和稳定段，稳定段的压力上升速率随体积充填率增加而增加。液体区的对流运动在自增压过程受到抑制，气液界面逐渐进入准静止状态。并以实验测得温度作为边界条件，采用流体体积（VOF）模型对整个自增压过程进行了175 s的数值仿真。仿真得到的压力曲线变化规律与实验结果基本一致，稳定段的压力上升速率是实验值的1.58倍。本文得到的自增压物理参数变化规律，为低温推进剂的贮存和贮箱的热防护设计提供参考。     

卫星姿态控制和反作用控制用单组元推进剂供应系统的落压过程和水击过程

本文对卫星姿态控制和反作用控制用单组元推进剂供应系统的落压特性和水击特性进行了试验研究,并用理论模型模拟了落压过程,计算结果与试验数据非常吻合。试验测得的过滤器和隔离阀的摩擦系数是与压力有关的,这些组件的压降与其入口压力的相关关系必须予以考虑,以便获得准确的模拟解。在推进剂供应系统落压式工作的初始阶段,系统中压力下降的速度很快。隔离阀对水击压力波有显著影响,它提高了水击压力波的峰值和频率。     

某四机并联试车推进剂供应特性研究

采用计算流体力学方法,对某型号发动机四机并联试车推进剂供应管路所采用的分流管组件在发动机稳态工况下的推进剂流动特性进行仿真计算,并对分流管组件在发动机启动过程所产生的瞬变流动特性进行分析。计算表明,采用分流管分流的四机并联试车各发动机入口速度场与压力场均匀,可以满足发动机启动过程管道瞬变流动的要求。试验结果证明,数值计算的方法可以对推进剂供应管路设计与改进进行有效指导,对试验结果进行预测。     

温度对贮箱增压系统的影响分析

在液体火箭推进系统中,贮箱增压系统为推进剂正常供应提供重要的技术保障。温度作为一项重要的影响参数,其高低变化直接决定着增压系统能否满足发动机正常工作的设计条件。本文以某贮箱增压系统为研究对象,开展温度对增压系统的压力特性影响的试验研究,主要分析从室温至-50℃低温环境的系统压力参数变化情况。试验结果表明:随着温度的降低,系统在相同工况下压力特性明显增大;-35℃是该系统不采取任何措施情况下能正常工作的最低环境温度;针对-35℃以下低温环境出现的问题,提出了相应的改进措施,使系统使用温度范围显著扩大,并通过试验验证了改进方法的合理性与有效性。试验结论可为同类增压系统设计及分析提供借鉴。     

运用数学方法模拟推进剂贮箱增压

本文介绍了运用数学方法模拟推进剂贮箱内的增压、传热和传质的物理热动力过程.增压系统的目的是控制推进剂贮箱内的气体空间(也称为"气垫空间")压力和进入发动机的推进剂质量流量.用数学模拟来预测气垫和推进剂的状态以保证贮箱内的压力和温度值保持在认可的限度内,即使离开贮箱的推进剂压力满足发动机泵入口的净吸程要求.     

挤压式供应系统气瓶压力仿真

以挤压式液体火箭发动机为研究对象,对发动机推进剂供应系统工作过程进行了理论分析,利用AMESim软件建立了仿真平台,计算了发动机工作过程气瓶压力。将仿真计算结果与试车数据进行对比,结果表明仿真计算结果与试车数据一致性较好,验证了仿真模型建模思路的正确性,为气瓶压力计算提供了一种方法。     

运载火箭交叉输送系统关键影响因素辨识与分析

为深入了解交叉输送系统特性，辨识关键影响因素及其影响规律，通过系统建模与仿真分析开展交叉输送系统关键影响因素研究。推导了交叉输送系统关键组件数学模型，基于AMESim软件构建了系统仿真模型。研究表明，贮箱气枕压差和输送管路流阻是两大关键影响因素。为保证推进剂按额定流量交叉输送，必须对各子级箱压进行精确调节。由于助推上游主管路和交叉输送管路流阻对系统性能影响较大，在设计交叉输送系统时应该尽量缩短助推上游主管路和交叉输送管路，并尽量减小不同助推的管路流阻偏差。     

摇摆软管低温疲劳试验关键技术研究

为有效考核液体火箭发动机的工作可靠性,需要通过地面试验验证摇摆软管低温疲劳特性。摇摆软管低温疲劳试验系统承担试验时涉及的摇摆环境模拟、低温压力环境模拟、轴压平衡等关键技术。摇摆驱动分系统利用水平放置的2个液压伺服油缸作为驱动单元驱动十字轴带动摇摆软管摆动,模拟摇摆软管的安装边界及摇摆工况。低温压力供应分系统向摇摆软管内腔输送一定压力的液氮,模拟摇摆软管低温以及内压环境。内压平衡子系统通过设置在摇摆软管内的轴压平衡装置平衡内腔压力产生的轴向载荷,避免在内腔压力作用下伸长。某型氧化剂摇摆软管低温疲劳试验结果表明:摇摆软管低温疲劳试验系统能够实现摇摆软管双向摇摆和单向摇摆等疲劳试验工况,试验环境和边界条件与摇摆软管实际工作状态基本一致,试验参数满足要求。     

跨大气层和空间区域飞行器的液体推进剂管理

根据大气层飞行环境与机动飞行特点,以及空间飞行环境与液体推进剂特点,分析了跨大气层和空间区域飞行器的保证重力场和失重状态下均无夹气液体输送、控制液体推进剂质心位移、剩余推进剂空间排放和重复使用等液体推进剂管理技术要求。阐述了相应的关键技术,如包括无夹气输送、液体质心位移控制、失重状态下的流体动力、参数确定和结构设计等管理模式确定,以及包括模型参数确定、模型、状态模拟和验证等的管理模式试验。     

液氧／煤油补燃火箭发动机氧路低频动特性分析

液体火箭发动机氧路系统低频动特性研究是进行运载火箭POGO振动分析和判别的必要工作。以某型液氧／煤油补燃循环火箭发动机为研究对象,采用模块化建模方法建立了基于自动控制理论的发动机氧路系统线性小偏差的传递矩阵模型,分别对发动机氧路系统和试车台氧化剂输送系统动特性进行数值仿真,并对比分析了试车数据和仿真结果。研究表明,数学模型和计算方法具有一定的正确性;熵波对系统的低频动特性有一定影响。     

输送管壁温对膏体推进剂燃速的影响

膏体推进剂作为一种新型特种推进剂,具有广阔的应用前景。膏体推进剂燃速直接影响发动机内弹道性能,研究输送管道壁温对推进剂燃速的影响具有重要意义。采用幂律本构方程表征膏体推进剂粘度,Arrhenius方程表征温度对粘度影响,并利用中心有限差分格式对控制方程进行离散。对恒定壁温下的膏体推进剂与管道间传热特性进行数值仿真,并进行了数值验证。结合仿真结果,并借鉴固体推进剂初温与燃速关系,分析了热管道内膏体推进剂燃速特性。结果表明：近壁面加热层厚度随入口速度增高而减小,随管径增大而增大,管内膏体推进剂平均燃速较入口温度条件下有所提高,同时,高温壁面条件下,近壁面推进剂温度高于爆发点,需要考虑管道内的防窜火措施。     

适用于负过载启动的新型增压输送系统

介绍了一种适用于飞行器在负过载情况下启动的新型增压输送系统,该系统采用气液隔离方式,比国外可重复使用飞行器的增压输送系统结构质量轻、体积小,有利于提高飞行器的性能。分析了该系统的特点,给出了系统的主要性能参数。新型增压输送系统经过冷流试验和热试车的考核,结果均满足设计和使用要求。     

液氧/煤油发动机试验系统

设计并建立了液氧／煤油发动机发生器-涡轮泵联动装置和整机试验系统。详细介绍了推进剂供应系统、煤油回流系统、试验工艺辅助系统、控制系统的组成及试验能力,重点论述了关键试验工艺技术,主要包括启动技术、增压技术、试车工艺、安全措施。     

体积激励法测量液体推进剂量的地面模拟试验

针对大贮箱推进剂量测量精度不高问题,研究一种测量精度较高、重复性强的液体推进剂量测量方法。首先介绍体积激励法测量推进剂量的测量原理,重点分析地面模拟试验装置组成,包括体积激励装置、编码电机控制、数据采集及数据处理分系统。其次阐述试验方案,试验在常温常压下进行,采用不同激励频率改变体积。最后,以水作为模拟推进剂开展地面模拟试验,结果表明在不同填充水平下液体推进剂量测量误差都控制在贮箱总体积的1%以内,为未来高精度测量推进剂量飞行试验及空间应用提供可靠支持。     

膏体推进剂模拟液直圆管流动特性

管道流动特性研究对膏体推进剂供给系统设计具有重要意义.根据非牛顿流体幂律模型,在无壁滑移条件下,分别建立了膏体推进剂模拟液直圆管流动的理论及数值计算模型,并通过丁羟管道流动试验验证了理论模型的准确性.研究得到了膏体推进剂模拟液在直圆管中流动的压降随管径及入口速度变化的情况,并分析了压降的影响因素和幂律指数对管内流速曲线的影响.结果表明,膏体推进剂模拟液在直圆管中压降随管径增大而减小,随入口速度增大而增大.     

主动式活塞凝胶流量标准装置的建立

凝胶推进剂是一种非牛顿粘弹性流体,具有粘度高、压力触变性等特点,在发动机实际试车中采用了科氏力质量流量计对凝胶推进剂在实际管路中的流量进行测量。西安航天计量测试研究所结合凝胶推进剂本身的压力触变特性,对凝胶流量计的校准进行了深入地研究。基于主动式活塞液体流量标准装置的结构,通过增设加压/泄压装置,加装在线密度计,设计了一套针对火箭发动机凝胶流量计的标准装置。该装置可以充分模拟凝胶流量计的实际使用工况,实现凝胶流量计的实流模拟校准,进而提高了瞬态流量的测量准确度。本套凝胶流量标准装置具有流量稳定、重复性好及测量范围大等特点,其质量流量测量范围为19.44~3 611 g/s,完全满足我国航天发动机在实际热试车和高空模拟试车中对凝胶推进剂质量流量测量的要求。