固体火箭发动机三维药柱燃面推移仿真技术及燃面通用计算方法

采用实体造型方法进行固体火箭发动机药柱三维复杂内腔推移的仿真和燃面计算,为固体火箭发动机设计提供了前所未有的设计分析手段,减少了计算的繁琐和困难.这种方法能够分析的装药结构形式十分广泛,与现有的燃面计算方法(内弹道计算法、有限元素法、边界拟合坐标法)比较,具有输入简便灵活、几何燃面计算准确、输出信息完备等优点.     

固体火箭发动机装药设计的一种燃面推移方法研究

固体火箭发动机装药设计是固体火箭发动机设计的核心内容之一,找到一种针对复杂三维装药的通用燃面推移计算方法具有重要的工程应用价值。研究使用UG NX二次开发平台工具SNAP和Block UIStyler编写装药设计建模程序,并采用射线摇摆旋转相交法(IRSR)进行装药表面离散;然后,依照几何燃烧定律用C++编写与一维内弹道耦合的装药燃面推移计算程序,得到装药在整个燃烧过程中的内流场参数变化情况。该计算程序以链表为基础结构交织成网状数据结构来管理装药燃面的离散点信息,并配以相应的面积计算方法,在指定步长的迭代计算过程中,可判定识别并处理点奇异、点过密或者过稀、面交汇的情况,避免计算失真。结果表明,此基于燃面推移的设计方法可准确捕捉装药燃烧过程中的复杂拓扑结构变化,与实际情况吻合较好,适用于非槽平端单通道装药或者实心装药。     

实体造型技术与固体发动机装药燃面计算

以UG软件为开发平台，借助UG的实体造型功能，完成了固体火箭发动机装药的设计、燃面推移模拟和燃面计算，通过比较计算所得的燃面变化曲线与实际试车曲线，证明该方法具有较高的精度。     

基于焓平衡法的固体燃料冲压发动机燃速预示模型

修正了固液混合火箭的固体燃料燃面退移速率预示模型中对流换热和汽化热的计算,将其用于固体燃料冲压发动机中,考虑了固体燃料冲压发动机中来流空气总温及装药长度的影响。编写了固体燃料冲压发动机燃面退移速率预示程序。计算结果表明,当来流空气总温大于450 K时,计算误差的平均值不超过6.55%,所完善的模型的计算结果与试验值吻合很好,该模型能准确预示固体燃料冲压发动机中燃面退移速率;燃面退移速率与装药长度的-0.23次方成正比。     

固液发动机燃面退移控制因素分析

为获得固液发动机固体燃料燃面退移的控制因素和机理,开展了数值仿真和试验研究。建立二维轴对称计算模型,考虑燃料与氧化剂的混合燃烧和流动过程,计算得到了固液发动机工作过程中的温度、压强、速度和组分的分布,以及不同时刻固体燃料的燃面形貌。仿真与试验结果的对比证明了计算方法的有效性。结果表明:固液发动机的燃面呈现显著的非平行退移特征;燃烧室压强对燃面退移不均匀性的影响可忽略;控制燃面退移的主要因素是燃气传向固体燃料表面的热流密度,燃料表面的温度变化是宏观表现。在靠近喷嘴位置,燃面退移的热量传递主要受燃烧反应过程控制,而靠近喷管处燃面退移的热量传递主要受燃气流动过程控制。研究为固液发动机的装药优化设计和高效燃烧组织提供了理论依据。     

变量化约束草图驱动的药柱三维特征设计研究

为了直观而准确地支持固体火箭发动机药柱设计,提出了一种约束草图驱动的药柱三维特征造型方法。该设计方法首先通过变量化约束求解引擎对设计人员模糊的设计概念进行精确的几何坐标定位,形成一幅设计变量驱动的约束草图。然后,经过药柱特征定义,在设计规则和基于设计历史的燃面追溯统计算法的支持下,设计人员能够在约束草图上进行任意形式复杂药柱的特征定义、造型设计、燃面推移仿真与燃面统计。最后,开发了相应的药柱设计系统,并以一个管槽形药柱的设计过程,验证了本设计方法的计算效率、直观性、准确性和有效性。     

固体火箭发动机装药燃面计算方法

通过引入残值函数记录燃面位置,在笛卡尔离散网格上运用惠更斯原理进行燃面显式推移,实现了固体火箭发动机三维复杂药柱的燃面推移模拟和燃面计算功能;采用此算法分别对具有复杂几何构型的药柱和由不同燃速特性的推进剂构成的药柱进行燃面推移模拟。结果表明,此算法精度高、稳定性好,可准确捕捉燃面交汇、分离、消失等复杂拓扑结构变化,适用于复杂装药的燃面计算。     

基于Pro/E特征造型技术的固体发动机装药燃面计算

以Pro／E软件为平台,借助Pro／E软件的特征造型功能及曲面论中的曲面插值法,完成了固体发动机装药燃面的推移模拟和燃面计算。通过比较计算所得的等速燃烧和不等速燃烧的燃面变化曲线。证明该方法具有较高的精度。     

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。     

N_2O/HTPB固液发动机燃烧室结构对药柱燃面退移特性的数值模拟

针对采用N_2O/HTPB推进剂的某固液火箭发动机,分析研究燃烧室长径比、前燃室长度、补燃室长度以及喉径等结构参数对固体燃料热解表面燃面退移速率的影响。通过建立一种基于流场与固体燃料之间耦合传热和PDF燃烧模型的数值计算方法,并经算例验证后,说明此数值模拟方法的合理性和正确性。因此,应用此数值模拟方法分别计算了燃烧室各结构参数对固体燃料热解表面退移速率的影响:药柱长径比对燃面退移速率影响较大,随着药柱内径的不断增大,退移速率逐渐减小;随着前燃室长度的增大,燃面退移速率也相应增加,但幅度较小;而补燃室长度以及喉径对退移速率基本无影响。适当增加补燃室长度,可增强氧化剂与燃料热解气体的掺混效果,从而提高燃烧效率。     

基于非结构网格的燃面推进算法

根据惠更斯波传播原理,构建了一种在通用CFD软件的非结构网格系统上直接计算燃面推进的数值方法。该方法将燃面对应的计算网格面作为一系列平面波源,利用网格几何关系对边界节点奇异性进行判定,通过所有平面波源影响区域的叠加求解新的燃面位置。数值实现过程中,根据节点奇异性和波源影响区域以三维矢量运算得到节点的推进矢量。结合网格的重分,在通用CFD软件环境中实现了燃面的推进,所用数值算法具有良好的精度。另外,对三维动态内弹道模拟中燃面计算的稳定性和精度等问题进行了研究。     

动网格在固体火箭发动机非稳态工作过程中的应用

利用Fluent流场计算软件、动网格技术、UDF文件,用DEFINE_GRID_MOTION定义燃面边界的移动,用DEFINE_PROFILE定义边界类型,考虑侵蚀燃烧、压强变化率对推进剂燃速的影响,对轴对称变截面固体火箭发动机的非稳态工作过程内流场进行了瞬态分析.得到了变截面轴对称固体发动机稳态工作过程中装药燃面推移图像,并得到了发动机内弹道参数分布云图及其随时间的变化规律.     

采用高低燃温组合装药降低喷管内表面温度和烧蚀研究

根据不同推进剂及目前热防护材料的性能特点,采用了一种组合药柱的新方法,用来降低喷管内表面的温度和烧蚀率。该方法的主要设计思路是将药柱形式分为前后两段,靠近发动机头部段使用高能推进剂,靠近喷管段使用低燃温推进剂。低燃温推进剂占总推进剂质量百分比的很少一部分。使用这样的组合药柱形式,低燃温推进剂燃烧产生的气体会在喷管内表面形成一层低温帘幕,从而降低喷管内表面的温度和烧蚀率,使高能推进剂在固体火箭发动机设计上得到应用,并有助于提高发动机的质量比。     

基于知识工程的固体火箭发动机装药设计技术研究

为了实现对以往设计经验及知识的继承和重用,在固体火箭发动机装药设计中引入了基于知识工程的设计思想。首先建立了装药设计的SBF表示模型,从产品设计的角度说明了装药设计实质;然后完成了药形选择的神经规则表示;同时,实现了基于案例推理的药形几何参量确定,具体内容包括建立尺寸无关药形几何参量的案例表示模型,给出基于案例推理的药形几何参数确定算法。最后,结合实际应用对上述工作进行了具体实践;并针对实际型号进行了装药设计。通过对设计结果的正确性验证,证明该技术可行、有效。     

固体发动机药柱CAD及燃烧模拟分析

本文介绍了固体发动机药柱CAD燃烧模拟分析系统(CAPBAS).该系统使药柱设计直接从三维实体造型开始,模拟药柱燃烧过程,得到药柱燃面退移的图象显示,获得不同燃烧距离下的药柱几何参数和动力学参数,供内弹道性能分析使用.CAPBAS建立了5个数据库,作为图形数据和外界专业计算程序的传输共享界面.应用该系统软件,对两个实际发动机药柱进行了分析.     

水平空中发射固体有翼运载火箭轨道设计与优化

根据水平空中发射固体有翼运载火箭的飞行特点,提出了一种飞行程序角的工程设计方法,并给出了三级飞行段及滑行段飞行程序角的表达式,建立了发射轨道优化模型,应用基于方向的遗传算法对其发射轨道进行了优化。该方法适用于水平空中发射固体火箭方案论证和初步设计。     

翼柱型装药发动机设计参数的匹配性分析

翼槽内的火焰传播过程对翼柱型固体发动机的点火升压过程有很大的影响。通过模拟试验发动机点火试验获得的翼槽内火焰传播数据,结合翼柱型装药点火升压计算模型,分析了推进剂燃速、点火能量、喷管堵盖打开压强、翼槽部位的初始燃面等设计参数在点火升压过程中的匹配关系。分析方法对不同结构翼柱型装药发动机设计是有用的。     

固体火箭发动机药柱裂纹灌浆修补技术研究

采用灌浆修补技术对固体火箭发动机药柱裂纹进行了修补,对修补区域药柱的力学性能、能量特性和燃烧性能进行了测试试验,并对发动机修补端面燃面推移规律和发动机内弹道进行了仿真,分析了发动机和修补区域的结构完整性。试验和计算结果表明,发动机装药裂纹灌浆修补法有效。