Design and optimization of solid rocket motor Finocyl grain using simulated annealing

The research effort outlined the application of a computer aided design(CAD)-centric technique to the design and optimization of solid rocket motor Finocyl(fin in cylinder) grain using simulated annealing.The proper method for constructing the grain configuration model,ballistic performance and optimizer integration for analysis was presented.Finocyl is a complex grain configuration,requiring thirteen variables to define the geometry.The large number of variables not only complicates the geometrical construction but also optimization process.CAD representation encapsulates all of the geometric entities pertinent to the grain design in a parametric way,allowing manipulation of grain entity(web),performing regression and automating geometrical data calculations.Robustness to avoid local minima and efficient capacity to explore design space makes simulated annealing an attractive choice as optimizer.It is demonstrated with a constrained optimization of Finocyl grain geometry for homogeneous,isotropic propellant,uniform regression,and a quasi-steady,bulk mode internal ballistics model that maximizes average thrust for required deviations from neutrality.     

Preliminary design and optimization of slotted tube grain for solid rocket motor

In this paper,design and optimization technique of slotted tube grain for solid rocket motors has been discussed.In doing so,the design objectives and constraints have been set,geometric parameters identified,performance prediction parameters calculated,thereafter preliminary designs completed and finally optimal design reached.Geometric model for slotted tube grain configuration has been developed.Average thrust has been taken as the objective function with constraints of burning time,mass of propellant,fixed length and diameter of chamber case.Lumped parameter method has been used for calculating the performance prediction parameters.A set of preliminary designs has been completed and an analysis of these results conducted.Although all the preliminary results fulfill the design requirements in terms of objective function and constraints,however in order to attain the optimal design,Sequential quadratic programming optimization technique has been adopted.As the slotted tube grain geometry is totally dependent upon various independent variables and each of these variables has a bearing on explicit characteristic of grain designing,hence affects of the independent variables on performance parameters have been examined,thus variation laws have been developed.Basing on the variation laws and the analysis of preliminary design results,upper and lower limits have been defined for the independent geometric variables and an initial guess provided for conducting optimization.Results attained exhibits that an optimal result has been attained and the value of objective function has been maximized.All the design constraint limits have also been met while ensuring sound values of volumetric loading fraction,web fraction and neutrality.This methodology of design and optimization of slotted tube grain for solid rocket motors can be used by engineers as a reference guide for actual design and engineering purposes.      

Multidisciplinary Design and Optimization of Multistage Ground-launched Boost Phase Interceptor Using Hybrid Search Algorithm

This article proposes a multidisciplinary design and optimization (MDO) strategy for the conceptual design of a multistage ground-based interceptor (GBI) using hybrid optimization algorithm, which associates genetic algorithm (GA) as a global optimizer with sequential quadratic programming (SQP) as a local optimizer. The interceptor is comprised of a three-stage solid propulsion system for an exoatmospheric boost phase intercept (BPI). The interceptor's duty is to deliver a kinetic kill vehicle (KKV) to the optimal position in space to accomplish the mission of intercept. The modules for propulsion, aerodynamics, mass properties and flight dynamics are integrated to produce a high fidelity model of the entire vehicle. The propulsion module comprises of solid rocket motor (SRM) grain design, nozzle geometry design and performance prediction analysis. Internal ballistics and performance prediction parameters are calculated by using lumped parameter method. The design objective is to minimize the gross lift off mass (GLOM) of the interceptor under the mission constraints and performance objectives. The proposed design and optimization methodology provide designers with an efficient and powerful approach in computation during designing interceptor systems.     

固体火箭发动机三维药柱燃面自动化设计方法研究

提出了一种三维药柱燃面自动化设计的新方法：根据设计者输入的设计指标和全局参数值,自动确定一系列药柱结构可选方案,自动对每一个结构方案进行药形几何参数的优化设计,自动对结构方案进行优选,并确定出可行的药柱设计方案,输出燃面设计结果。经实例设计,表明该方法是切实可行的。     

单室双推力固体火箭发动机两级推力的最佳选择

从理论上探讨了单室双推力固体火箭发动机中影响其两级推力的主要因素。建立了导弹/发动机一体化设计的优化模型,对一种推进剂实现双推力,双燃速推进剂实现双推力两种情况分别进行了计算和分析。求出了使导弹射程达到最大,又能够在设计中实现的最佳推力方案。     

基于遗传算法结合支持向量机的Mg/PTFE贫氧推进剂配方优化

针对Mg/PTFE贫氧推进剂配方设计的复杂性,采用支持向量机理论建立了相关预测模型,结合遗传算法对模型结果进行多目标寻优,以此获得最佳的配方,最后对所得的最佳配方进行了实验验证。结果表明Mg/PTFE贫氧推进剂的最佳配方为PTFE/Mg=0.49,酚醛树脂含量为12.50%,镁粉粒度为26.90μm,PTFE粒度为111.33μm。遗传算法结合支持向量机的优化方法,适合于推进剂配方的优化,具有一定的实际应用价值。     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型;结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能;从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。     

单燃速单室双推力三维药柱的工程设计

从工程实际的角度,介绍了单燃速单室双推力三维药柱的设计方法和药型参数优化方法,并通过设计实例纠正了长期以来对以单一推进剂实现两级推力的几个认识误区,为这一新技术成果的应用奠定了基础。     

临近空间固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化

针对临近空间多级固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化问题,提出一种基于序列代理优化的高效设计方法。为了准确计算发动机的性能特性,对发动机进行了几何参数化建模,并针对复杂装药的燃面计算,提出了基于移动四面体的燃面计算算法。为了准确评估飞行器的最大航程能力,采用自适应Legendre-Gauss-Radau伪谱法获得给定发动机设计方案下的最大航程。为了提高发动机与轨迹一体化设计优化效率,提出了基于Kriging代理模型的多采样点高效全局代理优化算法,并进行了数值验证。计算结果表明：该优化方法收敛速度快,相比传统参数优化算法可以显著减少耗时目标函数和约束函数的计算次数,并能够有效地实现临近空间多级固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化。     

基于BP神经网络和遗传算法的结构优化设计

现代航空发动机不断追求提高推重比,优化其零部件的结构设计日益重要。传统结构优化方法耗时多且不易掌握。针对这一问题,本文提出了将BP神经网络和遗传算法相结合用于结构优化设计的方法,并编制了相应的计算程序,实现了一个含9个设计变量的发动机盘模型的结构优化计算。计算证明,与传统结构优化方法相比,此方法计算速度快、精度良好。      

推力室结构力学分析与优化设计

针对某液体火箭发动机推力室建立了参数化模型,使用有限元方法分析结构固有频率和振型,并进行了模态试验验证.采用最优拉丁超立方法进行计算机数值试验设计,得到了结构质量和1阶固有频率对于设计变量的敏感性,对于优化设计过程具有指导意义.使用NSGA-Ⅱ算法开展多目标优化设计,得到了同时满足静力学与动力学设计要求的推力室结构最优设计方案.最优设计方案的推力室质量减轻了9.1%,1阶固有频率值提高了22.6%,结果表明该方法能有效提高推力室的力学性能.      

Structural optimization of elliptical-tip star propellant grain using sub-problem approximation

A method is presented here for structural optimization of elliptical-tip star grain.The grain structural integrity was improved by minimizing the most critical area of inner bore hoop strain during cool down.Optimization was done by sub-problem approximation method in conjunction with finite element analysis.Both radii of the ellipse were varied during optimization to find the optimal ellipse.The optimization resulted in grain geometry having minimum level of Inner bore hoop strain without violating the preset limits of burning perimeter.The von mises strain at grain inner bore was also reduced in resultant grain.      

超声速低声爆布局分层优化方法

声爆抑制是发展新一代超声速民机必须突破的关键技术。总体布局参数的合理设计可以使飞行器具有良好的声爆特性。为了提高全局进化算法在布局设计中的优化效率,提出一种基于数据挖掘的分层优化方法,利用数据挖掘中的决策树算法提取设计知识,获得设计变量分层信息,指导低声爆布局分层优化;针对某超声速低声爆飞行器,选取后掠角、上反角、展弦比、梢根比、长细比五个总体布局参数作为设计变量,开展分层优化数值实验,并与一体化优化形成对比验证。结果表明：分层优化方法能够搜索到与一体化优化高度吻合的最优解,分层优化的收敛速度显著高于一体化优化,且对随机寻优历程的表现更稳健。     

基于序列二次规划算法的发动机性能寻优控制

提出用非线性序列二次规划(SQP,Sequen tial Q uadratic P rogramm ing)算法解决发动机性能寻优控制问题。分析了线性规划(LP,L inear P rogramm ing)算法用于发动机性能寻优的固有缺陷以及SQP算法的优点。给出了SQP算法与LP算法用于最大推力模式和最小油耗模式仿真结果对比曲线。数字仿真实验的结果表明,SQP算法具有比LP算法更好的优化效果,在工程实际中有很大的应用潜力。     

空间飞行器姿控发动机布局方式的优选

在液体推进剂动力系统质量模型的基础上,针对采用双组元推进剂姿控发动机的空间飞行器,在总有效控制冲量和有效冲量矩一定的条件下,提出了优选动力系统总质量最轻的姿控发动机布局方案的一种途径。     

可控固体推进技术研究进展

可控固体推进技术是指在基于含能材料为工质的固体推进剂燃烧过程中,借助一定措施使得推进剂的燃烧方式可控,燃速可调,实现推力可随机控制的推进技术。其可对推进剂燃烧状态进行主动控制,有望从根本上解决固体推进剂发动机推力主动、随机控制等关键技术难题。从推力可控实施方案、对应推进剂类别以及其应用技术等方面对当前可控固体推进技术研究进展进行了综述,并对部分可控固体推进技术中的推力可控实施方案提出了建议。     

轻型动能拦截器固体控制发动机方案分析

对国外轻型动能杀伤飞行器（ＫＫＶ）采用固体燃气发生器作动力的控制发动机方案进行了分析,比较了变流率燃气发生器、装药设计和脉宽调制变推力执行机构方案等,提出了适合国内技术条件的可行方案,并讨论了有关技术问题。     

大L＊脉冲发动机内弹道性能的实验研究

本文介绍了远程火箭中间段制导地面动态联试用的大Ｌ＊脉冲发动机内弹道性能实验研究的情况，包括静态点火试验、动态旋转试验和高低温环境试验的情况。试验数据与设计数据符合良好。试验结果表明，脉冲发动机的主要性能满足与弹上控制系统动态联试的要求，但也带有大Ｌ＊发动机的某些明显特点。     

基于全自由尾涡模型的最佳环量分布风力机叶片气动优化方法

通过优化环量分布,开发了一种快速的风力机叶片气动优化设计方法.方法中引入了全自由尾涡模型,通过并行处理技术和快速多极子方法加速计算.采用傅里叶级数参数化叶片附着涡环量分布,大幅减少了优化变量数目.以风能利用系数为目标函数,以给定轴向力系数为约束条件,获得环量分布后反求得到叶片最优几何参数.最后通过优化美国可再生能源实验室（NREL）实验风轮进行方法验证,结果表明:在约束条件下,当尖速比分别为3.79和4.74时,优化使风轮的风能利用系数分别提升了32%和8%.在无约束条件下,针对不同叶片数和尖速比,分别对原NREL风轮进行全局优化,得到了风能利用系数均超过0.48以上的最优设计.      

大内收缩比二元高超声速进气道波系配置特性

为了发展适应宽飞行范围的高超声速二元进气道设计技术,考察了内收缩比对进气道特性的影响规律,并提出了结合附面层抽吸辅助自起动的大内收缩比进气道波系设计方法,改善了二元进气道低马赫条件下流量捕获低的弱点。研究发现,存在着设计点推力最优进气道内收缩比,而进气道非设计点流量系数随内收缩比而增大。基于最优内收缩比进气道构型,取消外压激波封口约束,通过局部等熵压缩波分散打进内收缩段内部,大幅提高了进气道低马赫流量捕获。并进一步通过合理配置内收缩段抽吸槽,以设计点(马赫6)1%,非设计点(马赫4)3%的流量损失使进气道自起动马赫数降到3.35,改善了内收缩比过大导致的自起动问题。