固体火箭发动机结构可靠性数字仿真的基本问题

本文讨论了固体火箭发动机结构可靠性数字仿真方面的几个基本问题,如研究的目的,主要技术要求,验证试验和临界技术等。用固体火箭发动机结构可靠性数字仿真通用程序,说明了固体火箭发动机纤维增强复合材料壳体和固体药柱的模拟过程。     

双脉冲固体火箭发动机压强振荡特性研究

为了研究隔舱消融对双脉冲发动机中燃烧室的压强振荡影响规律,选择隔舱消融几个典型时刻进行研究,运用大涡模拟(LES)方法,对Ⅱ脉冲工作时的发动机流场稳定性进行数值模拟.最后得到了各工况下的压强时间曲线及其快速傅氏变换(FFT)结果.分析表明:由于Ⅱ脉冲工作初期隔舱暴露在流场中产生额外扰动,以及隔舱级间通道形成狭窄通道的加速作用,是导致边界层分离而引起障碍涡脱落的主要因素.点火初期,双脉冲发动机易发生轻微压强振荡.随隔舱消融,整个流场在发动机工作中、后期逐渐趋于平稳.      

脉冲发动机中隔层工作过程的数值分析及试验

为了实现固体火箭发动机的脉冲启动功能,设计了一种软质隔层结构(PSD),数值模拟了隔层的承压及打开过程,得到其应力应变场分布。当隔层承受来自I脉冲10MPa内压作用时,隔层及药柱的最大主应力及应变都在安全范围内,从而证明了该结构承压可靠性;利用扩展有限元XFEM技术模拟了隔层的破坏过程,隔层在II脉冲1.3MPa内压下打开,且打开形式可靠。设计了承压和打开单项试验,验证了数值模拟的准确性,并说明该结构承压、打开及密封性能均满足设计要求,隔层结构可以应用于实际的脉冲发动机之中。     

航空发动机吞冰损伤一体化数值模拟平台搭建与验证

为了给航空发动机在进气条件下的吞冰损伤物理试验提供多方案快速优化的数值参考,建立了航空发动机叶片吞冰损 伤快速分析的数值模拟方法和流程,并形成了1套软件系统。该系统通过研究发动机进气吞冰过程中冰体6自由度运动姿态和轨 迹的流场快速模拟方法,建立了吞冰流场的数值仿真模型;通过冰体的本构模型及冰体撞击叶片损伤效应的系统研究,准确建立 了叶片损伤模型;将吞冰流场计算和冰撞击过程计算进行了一体化耦合,形成了航空发动机叶片吞冰损伤的快速分析软件系统, 建立了冰块运动姿态、冰块撞击叶片破碎过程及轨迹预测的一体化仿真流程。结果表明：数值计算方法能够有效预测冰块运动轨 迹和撞击变形量,变形量误差不大于8%;该软件系统有效地解决了吞冰损伤复杂过程有限元模型的自动生成问题,极大地提高了 分析效率,可有效节约试验成本、提高试验效率。     

点火药量对双脉冲固体火箭发动机点火过程影响

为了确定第二脉冲点火药量对双脉冲发动机点火过程的影响规律,以某双脉冲固体火箭发动机为模型,采用轴对称非定常Navier-Stokes方程和标准k-e湍流模型,对第二脉冲点火过程进行了仿真,研究了点火装置工作持续时间和点火燃气流量对于点火延迟的影响.研究结果表明:点火燃气流量相同时,增加点火装置工作持续时间可以有效减小第...     

内孔隔板脉冲固体火箭发动机流场分析

为了获得内孔隔板脉冲固体火箭发动机的流场特点,基于该发动机的工作原理,利用商用计算流体动力学软件对第二级脉冲工作时不同时刻的流场进行数值模拟.在纯气相和气同两相条件下,从压强、马赫数和温度三个角度对仿真结果进行分析,总结出了内孔隔板脉冲固体火箭发动机在纯气相和两相时的流场特点.即压强分布相似,马赫数和温度场存在滞后现象...     

隔舱式双脉冲发动机金属膜片设计与实验研究

为得到双脉冲发动机隔舱结构关键部件金属膜片适宜结构,通过圆板大挠度理论和断裂力学理论推导出金属膜片预制缺陷处应力强度因子计算公式,得到金属膜片在内压作用下的设计方法,建立了膜片破坏压强与结构尺寸之间定量关系,并通过6次膜片动态破坏单项实验验证了其正确性.在此基础上,利用缩比发动机分别开展了隔舱热流承压、热流打开、热流联合实验以进一步考核隔舱的工作特性.结果表明:所导出的金属膜片设计方法与实验结果较为一致,平均误差约4.394％,可以用于脉冲发动机膜片具体结构尺寸设计;隔舱承压、密封、打开、消融性能良好,可以较好满足双脉冲发动机使用要求.     

烟火剂式点火器内弹道性能理论分析

用固体火箭发动机中常用的瞬态平衡压强法对烟火剂式点火器内弹道性能进行了理论预示，并提出热损失系数的概念，此外，进行了试验验证，计算结果和试验结果吻合较好。     

固体火箭发动机比冲预示经验法

本文简要地评述了国内外固体火箭发动机比冲预示方法.在Landsbaum法的基础上,根据国内外44种不同类型的发动机地面和高空模拟热试车试验统计,利用多维回归分析方法,得出了适合于国内发动机的经验比冲效率参数相关法.这种方法的优点是比冲预示结果比较准确,方法简单,利用袖珍式计算器可快速计算,对固体发动机总体方案论证及性能最优化设计是很有用的.     

高转速风扇叶片外物撞击损伤的定量评价方法

外物撞击是造成航空发动机风扇叶片变形、损伤甚至断裂的主要因素。针对外物撞击持续时间短、瞬间载荷大、损伤影 响因素多，难以进行定量损伤评价的问题，提出基于叶片损伤参数α的叶片损伤定量评价方法。以发动机风扇叶片受冰撞为例， 采用非接触叶尖计时测量方法，对叶片撞击产生的叶尖位移进行监测分析，验证了该方法的可行性。采用瞬态动力学分析方法对 叶片经受撞击过程进行全流程仿真模拟，并采用正交试验法定量研究了外物撞击过程中的撞击速度、叶片转速、撞击位置3种因 素对叶片损伤参数α的影响，拟合回归方程并绘制了这3种因素的3D响应曲面图，得到各因素的影响权重。结果表明：冰块速度 与撞击位置同时下降时，叶片损伤弱化效果显著。该方法可为大型风扇叶片抗外物打击性能设计和在役健康监测提供理论支撑。     

双脉冲固体火箭发动机隔塞运动特性

以双脉冲固体火箭发动机隔塞的运动过程为研究对象,搭建了脉冲隔离装置冷气冲击实验平台,获得了隔塞在Ⅰ脉冲燃烧室中的运动规律。采用动态结构嵌套网格方法,对隔塞的运动过程进行了数值模拟,分析了隔塞运动过程中流场结构,揭示了隔塞运动规律的形成机制。研究结果表明:对于单孔隔板,隔塞在燃烧室中沿轴向平稳运动,随着驱动压强的上升,隔塞运动的初始加速度增加,运动速度有所上升;对于多孔隔板,由于隔板级间孔和隔塞对燃烧室内流场结构的干扰,导致多个隔塞在Ⅰ脉冲燃烧室中的运动过程异常复杂,出现转动和翻覆现象;且随着时间的推移,隔塞的运动速度、姿态和位置差异逐渐增大,合理的隔板级间孔设计可以有效避免隔塞在喷管喉部处聚集。      

脉冲发动机中隔层传热炭化模型

为分析脉冲发动机中隔层的绝热效果及温度变化情况,推导了隔层两种炭化模型的计算公式,对比实际发动机试车结果,模型一误差为20%,模型二误差为6.7%,炭化模型二具有较好的精度;数值模拟了隔层的热传导过程,将是否考虑炭化影响的隔层传热深度及温度分布与理论计算结果进行对比,未考虑炭化影响计算结果的误差在14.3%以上,考虑炭化影响计算结果的误差均小于10%。研究结果表明,预估隔层炭化深度时,应该运用炭化模型二;计算隔层的温度场分布时,必须考虑炭化影响。     

一种叠加独立颤振的阀用电机双向驱动器

为了实现阀用动圈式直线电机双向驱动及驱动过程中的颤振要求,研发了一种运用脉宽调制信号驱动新型动圈式直线电机的比例放大器,提出将脉宽调制信号与颤振信号相互叠加的驱动方案,能够实现对动圈式直线电机的颤振调节。理论分析与仿真研究表明,所研发的比例放大器性能可靠,能满足动圈式直线电机驱动要求。     

双脉冲固体火箭发动机二次点火内视研究

利用Ｘ射线高速帝时荧屏分析（ＲＴＲ）技术对双脉冲固体火箭发动机的二次点过程进行了内研究,通过对ＲＴＲ图像的分析,弄清了隔板的打开模式以及塞子在一级燃烧室听运动规律,运用图像处理技术还获得了塞子飞出隔板后的平均速度及塞子与喷管碰撞后的反速度,这些结果为这种新型发动机的设计提供了实验依据。     

双脉冲固体火箭发动机二次点火内视研究

利用Ｘ射线高速实时荧屏分析（ＲＴＲ）技术对双脉冲固体火箭发动机的二次点火过程进行了内视研究。通过对ＲＴＲ图像的分析,弄清了隔板的打开模式以及塞子在一级燃烧室中的运动规律,运用图像处理技术还获得了塞子飞出隔板后的平均速度及塞子与喷管碰撞后的反弹速度,这些结果为这种新型发动机的设计提供了实验依据。     

质量矩固体推进微纳卫星自适应反演控制律设计

为解决微纳卫星利用固体火箭推进器进行快速轨道机动时的姿态翻滚问题,提出了利用质量矩技术对卫星的俯仰、偏航通道姿态进行稳定控制。首先考虑推进剂燃烧、质量块运动等因素引起的系统质量特性参数的变化,建立质量矩固体推进微纳卫星姿态动力学模型;然后分析了推进剂燃烧、质量矩控制引入的系统模型参数不确定性、连续有界未知干扰;随后基于反演控制方法,设计了卫星姿态角和姿态角速度双回路自适应滑模动态面控制器,利用自适应算法调节控制参数估计来补偿不确定因素的影响;基于Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了控制算法的有效性。     

复杂装药固体火箭发动机工作过程中阻尼特性分析

为了获得复杂装药发动机工作过程中阻尼特性的变化规律，首先利用有限元分析方法对不同工作时刻时的燃烧室声腔结构进行了数值仿真计算，得到复杂装药发动机工作过程中的声模态及其变化规律；基于此，计算并分析了复杂装药发动机装药燃烧过程中常见阻尼因素的变化规律，结果表明，喷管阻尼系数与壁面阻尼系数占总阻尼系数百分比逐渐减小，相反微粒阻尼系数占总阻尼系数的百分比逐渐增大，在发动机工作后期,发动机阻尼系数最小，从而导致发动机后期的工作稳定性较差，小扰动易被扩大为大扰动; 在发动机的所有阻尼中，喷管阻尼在发动机工作初期起主导作用，而微粒阻尼在工作后期起主导作用。     

固体火箭发动机喷管阻尼特性的数值仿真

为了探究影响固体火箭发动机喷管阻尼特性的关键因素,基于典型柱状装药固体火箭发动机二维简化模型,利用脉冲衰减法,开展喷管阻尼特性数值仿真计算,研究了喉通比和燃烧室长度对喷管阻尼常数的影响规律,结果发现数值模拟结果与经验公式理论预估结果有较好的一致性,证实了该数值方法的有效性;在此基础上,进一步探讨了无法由经验公式直接获知的诸如喷管收敛半角以及收敛型面对喷管阻尼常数的影响规律,结果表明:收敛半角对喷管阻尼常数有很大的影响,在设计范围内,较小的收敛角有益于提高喷管阻尼特性;收敛段型面对喷管阻尼也有一定的影响,凸型型面阻尼特性优于锥型型面,锥形型面优于凹形型面.      

小能量点火脉冲爆震发动机工作过程数值模拟

为完善脉冲爆震发动机数值模拟模型,采用有限速率化学反应模型,通过二阶迎风格式差分逼近二维欧拉方程,模拟以煤油和氧气为可爆混合物的小能量点火触发爆震的脉冲爆震发动机工作过程。采用CFD软件中spark ignition模型模拟实验中电火花塞点火,实现了50mJ小能量点火触发爆震。数值模拟结果和试验结果吻合,说明所采用的计...