液体火箭发动机三轴向虚拟振动试验技术研究

振动试验是液体火箭发动机结构可靠性评估和力学环境适应性验证的重要内容。相比单轴振动试验,三轴向振动试验能够更加真实地模拟产品的实际受力状态。开展三轴向虚拟振动试验研究,对于预示发动机动态响应,指导结构设计优化,以及研究修改单轴向振动试验输入谱以适用于三轴向振动试验都具有重要的研究价值。针对液体火箭发动机的振动问题,利用三轴向振动台的控制方法和有限元仿真技术,逆向构建了某三轴向振动台的虚拟振动试验系统。基于Patran有限元平台将某型号产品和振动台模型进行联合仿真动力学建模,以发动机正弦振动和随机振动试验条件作为动力学响应分析的载荷边界,利用Nastran进行三轴向振动问题求解。通过与实际的振动试验结果的对比和修正,获得精确的三轴向振动台和产品仿真模型、精确控制方法等,为液体火箭发动机结构振动响应预示、薄弱环节识别提供虚拟试验技术手段。     

液体火箭发动机振动故障特征信号提取方法

液体火箭发动机试验是一项高成本、高风险的工程,由于设计缺陷、零件加工误差、工作过程及机械连接结构的影响,导致试验过程发动机大振动现象的发生。基于发动机振动信号分析的状态监测与故障诊断方法是提高发动机可靠性和降低试验成本的重要手段。在给出液体火箭发动机振动故障诊断数学模型的基础上,详细介绍了发动机试验过程中7种特征信号提取方法,即:振幅特征提取、功率谱特征提取、频谱分析(谐频识别和边频识别)、突频特征提取、状态特征提取、小波特征提取和高阶谱特征提取,并结合发动机实际故障诊断方案,给出了发动机特征信号提取算法应用实例,通过发动机热试车验证了液体火箭发动机振动故障诊断的特征信号提取方法的正确性。     

液体火箭发动机管路断裂失效分析及动力优化

液体火箭发动机管路系统的安全性与可靠性已成为发动机能否安全工作的关键。针对某型火箭发动机管路断裂失效的问题,提出了管路的动强度失效分析方法与动力优化设计技术。通过机理分析与故障复现,提出了管路振动控制措施;以故障管路考核部位接头的前后倒角为设计变量,以倒角位置最低动应力为目标函数,采用结构频率禁区约束,进行动力学优化模型设计与基于形状优化的动强度优化设计;开展接头结构在基础激励下的随机振动疲劳损伤定量分析,改进方案最终通过了疲劳试验验证。结果表明,通过对管路结构的动力学优化,提升了管路结构的力学环境适应性与可靠性,验证了改进措施的有效性;所建立的结构失效分析、动力优化设计方法可为型号研制工作提供技术支撑。     

基于Creo的固体火箭发动机试验虚拟装配技术应用

为了提高固体火箭发动机试验装配效率及准确性,以Creo软件为平台,研究了虚拟装配技术在试验中的应用。主要介绍了试验工装三维建模过程、虚拟装配方法,并通过干涉检测分析方法检测了试验结果、工装设计。通过在某型号固体火箭发动机壳体外载荷试验中应用表明,该方法不仅可以模拟试验装配流程,验证工艺流程的合理性,而且可以对试验结果进行干涉检测,推动了固体火箭发动机试验数字化的进程。     

通用化液体火箭发动机静态特性仿真平台

静态模型用于在发动机各稳态工况下对参数进行动力平衡计算,在发动机地面热试车或飞行试验之前,将发动机参数设定为规定值,已成为型号设计的固定流程。静态模拟是液体火箭发动机系统方案改进和新型发动机系统研制的重要手段之一。基于模块化建模思想和面向对象技术,建立了一套适应大范围变工况调节的发动机组件高精度通用化静态模型库,应用面向对象的仿真工具MWorks/Modelica软件开发了一套适用于液体火箭发动机静态特性分析的模块化建模与仿真软件。该仿真平台实现了现有静态计算成果的标准化、集成化;突破了传统一型号一模型的局限,极大地缩短了研制周期。     

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。     

某型号固体发动机推力测试偏差与侧向力干扰问题分析与试验

分析了影响某固体发动机静止试验推力测试偏差的因素.分析结果表明,由于试车架结构问题,发动机工作过程产生的偏斜力与偏心力以及各个方向的振动是推力测试偏差过大的主要因素.据此优化设计试车架结构,控制并减少安装偏差,消除侧向力对工作传感器的干扰,提高推力测试的可靠性,以满足固体火箭发动机推力测试技术要求.     

液体火箭发动机数字化仿真平台的设计与实现

液体火箭发动机是一种复杂的设备,测试其健康状况是一项昂贵且耗时的工作,需要进行大量的点火测试。针对液体火箭发动机模型复杂和不易建模等特点,提出了一种模块化建模方法,并以某大型液氧煤油发动机为例,搭建了仿真模型。为提高发动机维护效率和安全水平,设计并搭建了一种高效的实时数字化仿真平台,详细介绍了该仿真平台的硬件结构组成与开发流程,并对该平台操作系统的实时性、链路实时通讯可靠性以及数值方法的实时性进行了测试与分析。通过仿真,获得了该型号液体火箭发动机在不同工况条件下的压力、温度、流量、转速等多种类型参数的变化情况。结果表明,仿真数据与试车数据拟合程度较高,满足平台在软硬件层面的仿真可信度,具有良好的实时性和实用性。     

两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动特性

液体火箭发动机涡轮泵内非定常流体力主要通过流体—壳体以及流体—转子—支承—壳体两条传递途径激励壳体发生振动,对发动机的安全可靠性造成威胁。为获得流体激励下涡轮泵壳体振动特性,建立了两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动响应定量预测方法,利用发动机热试车结果对预测方法的精度及可靠性进行了验证。在此基础上获得了不同途径下涡轮泵壳体的振动特性。结果表明:所建立的涡轮泵流体激励壳体振动预测方法能够较好地预测壳体振动响应主导频率及幅值,主频幅值误差小于13.85%;壳体的最大振动能量源自于泵内动静干涉非定常流动与壳体结构之间的相互作用;流体—壳体途径是涡轮泵流体激励壳体振动的主要来源,其引起的壳体振动响应幅值相比流体—转子—支承—壳体传递途径大2个量级以上。     

俄罗斯氧化剂液膜冷却液体火箭发动机在喷气公司进行了热试车

美国喷气公司成功地进行了推力为400N 的 LTRE400N 液体火箭发动机的热试车工作。该液体火箭发动机的价格仅为西方国家生产的同等推力液体火箭发动机价格的10%。LTRE400N 液体火箭发动机是俄罗斯研制的,且其燃烧室采用氧化剂(N_2O_4)进行液膜冷却。这种方法在西方国家的液体火箭发动机上未使用过,他们只是用燃料来冷却燃     

液体火箭发动机诊断知识挖掘系统设计

基于对液体火箭发动机的试验与故障诊断现状分析,设计了液体火箭发动机故障诊断知识挖掘系统DKMS,以实现试车数据的全面管理和故障诊断知识的高效提取。该系统采用C/S结构,分为数据采集子系统、试车数据管理子系统和诊断知识挖掘子系统三大部分。DKMS系统的设计为克服发动机故障诊断知识获取的瓶颈提供了一条新的途径。     

液体火箭发动机试验噪声测试分析

研究液体火箭发动机的声学特性不仅对发动机故障识别与预报有重要意义,还会对液体火箭上的有效载荷工作可靠性产生影响。为此,对液体火箭发动机试验噪声进行测试分析就显得尤为必要。针对液体火箭发动机试验噪声的特点,提出了一种适用于液体火箭发动机试验的噪声测试方法,介绍了该噪声测试系统的原理和各组成部分功能。对某型号液体火箭发动机地面试验所产生的噪声进行了测量,结合所测得的噪声信号进行了时域与频域分析,对发动机周围噪声特性进行了研究,得出了发动机在试车台上的噪声分布特征,对液体火箭发动机的设计改进和地面试验台的降噪措施有一定参考价值。     

发动机地面试验摇摆测控系统设计与实现

某型号液体火箭发动机地面试验时需要进行双向摇摆,本项目设计了一套测控系统与配套的伺服机构控制器进行对接,完成伺服机构驱动控制、数字和模拟量参数测量、摇摆指令文件编制、试验数据分析、能源动力供给等功能.该系统基于1553B总线,使用冗余总线结构保证数据传输可靠性,与伺服机构控制器对接后进行地面联试和热试车考验.结果证明研制的测控系统各项功能、指标满足试车任务要求.     

双脉冲固体发动机隔板预紧载荷数值分析

针对装配预紧力载荷容易导致双脉冲固体火箭发动机陶瓷隔板破坏的问题,利用ANSYS软件建立了陶瓷隔板组件的平面轴对称有限元模型,分析了陶瓷隔板与其支撑紧固件之间的相互作用。认为陶瓷隔板与紧固件之间接触压力引起的翘曲变形是引起破坏的直接因素,发现等厚度设计形式的陶瓷隔板对预紧载荷的承受能力不足,难以保证其安全装配。计算分析了各结构设计参数对提高陶瓷隔板预紧载荷承受能力的影响,发现修改紧固件结构成效不理想,较合理的方法是优化陶瓷隔板的设计形式,提高其预紧力载荷承载能力的同时兼顾较好的易碎性。     

火箭发动机涡轮泵故障检测及预测算法研究

涡轮泵作为液体火箭发动机的核心部件,恶劣的工作环境和极高的转速使其易发生组件断裂、烧蚀等问题。为了对液体火箭发动机的涡轮泵进行健康管理,提出针对某型液体火箭发动机涡轮泵的数据驱动故障检测、故障预测及健康状态评估方法。在某型液体火箭发动机试车数据集上,通过对涡轮泵轴、径、切向振动数据进行对应的时域、频域特征处理后,送入训练好的ResNet网络、自主设计的图像特征识别算法以及退化模式线性回归模型,分别实现了对该型液体火箭发动机涡轮泵的故障检测、预测及健康状态评估,具有较高的准确性。     

液体火箭发动机低成本设计技术

简要介绍了国外液体火箭及其发动机的低成本研制现状,重点论述我国液体火箭发动机低成本设计,尤其是发动机系统、发动机重要组件的结构简化及可靠性设计经验.发动机系统优化与简化设计方法确保了系统简单、零组件数量和组件品种减少,操作性方便.关键组件的预先研究和新型密封结构设计提高了发动机的可靠性.指出低成本设计是降低发射费用的重要措施之一;液体火箭发动机低成本研制应从系统设计着手,力求系统简单可靠;对于要求特殊和薄弱环节的结构运用创新和关键技术攻关得以实现.     

液体火箭发动机涡轮泵用轴承寿命试验研究

基于液体火箭发动机涡轮泵轴承工作要求的特殊性,介绍了一种考核液体火箭发动机涡轮泵用轴承寿命的试验方法,设计了轴承试验方案,并研制了专门的试验系统.以某型号发动机氧泵用轴承为研究对象,对其进行了常温水介质和低温液氮介质运转试验.试验系统运转良好,并且通过该方法试验后的同批次轴承参加发动机热试车工作正常.     

ANSYS二次开发在火箭发动机法兰结构设计中的应用

氢氧液体火箭发动机密封连接形式常采用一种法兰面贴合的榫槽式密封法兰结构,设计时主要采用有限元方法进行结构强度和密封性分析.为提高设计效率、简化有限元操作,利用ANSYS提供的用户界面设计语言(UIDL)和参数化设计语言(APDL)二次开发环境,开发结构分析程序模块.该程序模块能够将法兰结构有限元分析的前后处理和计算封装在后台操作,用户只需输入结构和材料参数,程序可自动进行有限元计算.利用有限元计算结果,通过垫片应力预测泄漏率进行密封性分析,结合螺栓和法兰最大应力,可确定垫片规格等结构参数和拧紧力矩等装配参数.通过实际应用验证,根据程序计算结果满足发动机热试车使用要求,验证计算方法合理.     

液体火箭发动机热过程仿真技术发展概述

<正>液体火箭发动机热过程基础研究是探索液体火箭发动机工作时所发生的流动、传热及燃烧等过程的基本规律,其研究内容涉及液体推进剂喷雾燃烧过程,工质与结构间复杂传热过程,液体推进剂物理化学特性、流体流动等。液体推进剂雾化、蒸发、燃烧和传热仿真技术是液体火箭发动机研究设计的理论基础,其与试验研究相辅相成,在正确分析与评估发动机工作性能、减少研制经费和研制周期、防范试验危险等方面发挥着重要作用,有力支撑了液体火箭发动机的研制工作。     

我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考

重复使用是降低航天发射成本的重要途径之一,是液体火箭发动机未来发展的重要方向。本文分析了可重复使用液体发动机的发展趋势,针对可重复使用运载器对发动机功能的需求,探讨了动力系统方案;对比了液氧煤油和液氧甲烷等推进剂组合和不同循环方式,认为几种发动机方案均可满足重复使用运载器的需求;研究了重复使用发动机的关键技术,提出应重点研究可重复使用液体火箭发动机高温组件热结构疲劳寿命评估及延寿技术、运动组件摩擦磨损技术、结构动载荷控制与评估技术、快速检测评估与维修维护技术、健康监控与故障诊断技术、二次或多次起动技术与大范围推力调节技术等。