固液混合火箭发动机仿真与优化设计

建立了固液混合火箭发动机的仿真模型和相应的单目标和多目标优化模型,编制了系统仿真程序;采用差分进化算法针对不同的优化目标对发动机的参数进行优化;针对挤压式系统建立了质量模型,在优化过程中考虑了主要部件结构质量对发动机性能的影响;针对固液发动机常用的侧面燃烧药柱编制了内弹道计算程序。以药柱几何参数、氧化剂流量、燃烧室平均工作压强和喷管扩张比等参数为设计变量,对发动机平均比冲、总质量、关机时飞行速度和密度比冲等性能参数进行优化,在Pareto分析的基础上选择了氧化剂流量、燃烧室平均工作压强和喷管扩张比对发动机性能的影响作了深入研究;最后对某型固液发动机进行了优化分析。     

便携式火箭发动机地面试验测量与控制系统

根据火箭发动机地面试验对测量与控制的要求,设计了一套用于火箭发动机地面试验数据采集与控制的便携式测控系统.测控系统硬件基于NI(National Instruments)公司的USB(universal serial BUS)数据采集与控制设备开发,集测量与控制功能于一体,便携性好,通用性强;软件基于模块化设计思想,采用LabVIEW编程环境开发,人机交互界面友好,通用性强,可扩展性好.该测控系统平台已成功应用于多次发动机地面试验,能满足多种类型的火箭发动机试验对测控的需求.      

姿控发动机羽流的可见光/近红外特性

为了研究发动机羽流辐射特性对光学探测成像的影响,基于不同直径粒子散射理论、辐射传递方程和分子吸收线数据库,应用有限体积法,建立了火箭发动机羽流在不同波段的辐射特性计算程序.针对实际工作情况进行建模,开展某姿控发动机工作在环月球轨道时的可见及近红外波段羽流的辐射特性计算.在0.4~0.9μm波长范围内,针对羽流气体组分、波长、观察天顶角以及太阳辐射对羽流光谱的影响作了数值计算及分析.研究结果表明:应用有限体积法开发的程序较好地模拟火箭发动机羽流的辐射特性,并具有广泛适用性;在可见光和近红外波段,太阳辐射作用对火箭发动机喷流辐射特性影响最大.      

固液混合火箭发动机喷焰红外辐射特性分析

为了研究固液混合火箭发动机喷焰在不同飞行状态的红外辐射特性,建立了固液两相状态下喷焰的红外辐射计算模型,获得了喷焰在2~12μm波段的红外辐射.将喷焰的温度、压力、摩尔组分等作为输入条件,米氏散射(Mie)模型计算颗粒相的散射,采用有限体积法(FVM)离散辐射传递方程,利用中分辨率大气辐射传输(MODTRAN)模型计算不同观测距离的大气透过率,编程计算得到不同飞行高度,不同观测方向下喷焰的红外辐射.结果表明喷焰红外辐射亮度与温度分布类似,在2.7~3.0μm和4.2~4.5μm波段范围内的辐射较强,高温粒子在近红外比远红外对总辐射的贡献大,太空与地面观测不同飞行高度的发动机喷焰辐射率因大气衰减的不同而有所差异,可为目标跟踪与发动机设计提供参考.      

真空应用电火花点火的氢氧发动机设计与试验

为研究某大推力氢氧发动机真空羽流效应,设计采用火炬点火方式的60N缩比氢氧发动机.通过球头密封声速喷嘴组件控制流量,使真空下每个声速喷嘴组件减少3个密封面.进行真空点火方案设计,从理论上证明电火花点火的可行性.设计试验系统并进行地面及真空环境下的热试车,试车结果表明:燃烧室压力达到额定压力为0.6MPa时,发动机热防护结构良好,试验系统设计合理,真空电火花点火方案可行,为进行真空羽流效应研究奠定基础.      

应用于工程设计的多目标优化方法比较

归纳并分析了几种常用的多目标优化方法,在悬臂梁的双目标极小化问题和火箭发动机系统的双目标极大化问题中,用线性加权法、逐步宽容约束法、NCGA(Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm)法求解优化问题的非劣解集;用p模理想点法、最短距离法、极大模理想点法、目标规划法求解优化问题的非劣解.并且在悬臂梁的优化问题中,对不同的定值点用目标点法求解优化问题的非劣解,结果说明不同的定值点对应不同的优化结果.最后分别采用二元相对比较法和模糊关联度法求出以上问题的最佳非劣解.通过2个实例说明了这些方法的特点,证明了这些方法的实用性,适用于一般的多目标优化问题.      

高超声速飞行器关键技术量化评估方法

定量分析方法是使得发展战略研究与计划项目论证更具科学性的有力手段.在高超声速飞行器技术发展层面以及技术类别划分的基础上,归纳总结了高超声速飞行器的关键技术.采用量化评估方法,针对提出的评价准则进行了关键技术关键度的评估,得到了高超声速飞行器关键技术量化的排序结果,结果符合该领域对关键技术的一般认识,同时也体现出层次分析法在关键技术量化评估方面有着潜在的价值和意义.     

中段弹道目标的温度场与红外辐射特性计算

红外辐射特性是预警系统探测识别弹道中段目标的重要特征之一。通过计算飞行时目标与太阳、地球的相对位置,确定目标的受外辐射照射状态。利用有限容积法计算锥形目标的三维温度场,采用双向反射分布函数（BRDF）计算目标表面对太阳、地球辐射的反射特性,并结合自身红外辐射,得到了不同类型中段目标红外辐射特性变化情况和空间分布情况。最后,分析了外部辐射环境和目标材料特性对目标红外辐射特性的影响,为中段预警探测提供了参考。     

激光衰减法测量固体火箭发动机尾流粒子参数

为了测量某固体火箭发动机尾流粒子参数,设计了基于激光衰减法的实验系统,并在发动机试车中采取了消除尾流辐射干扰的措施。将实验结果与参考文献的激光衰减法测量结果进行了比较,结果一致,表明所获得光强衰减信号和测量结果是可信的。在发动机燃烧室压强为9.5 MPa时,利用激光衰减方法测量喷管出口的粒子尺度d32=0.9μm,实验数据误差为20%。     

针对发动机羽流的相似准则研究

限于真空设备的能力,地面上难以开展大发动机的羽流试验,此时需要借助缩尺技术方可开展试验。通过方程分析法和量纲分析法推导出一种适用于发动机流场的相似准则,该准则能够使流场所有参数满足相似关系,这对于开展试验研究复杂的羽流现象有很大帮助。随后以热对流现象为研究目标,从理论角度对相似准则进行了验证。最后借助CFD/DSMC方法对发动机羽流全流域进行了数值模拟,进一步验证了相似准则的正确性和在羽流研究中的适用性。