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。     

旋流对固体燃料冲压发动机燃烧过程的影响

针对旋流数对固体燃料冲压发动机燃烧流场的影响，进行了不同旋流数(s=0,0.2,0.4,0.6)工况下固体燃料冲压发动机直连式试验研究，固体燃料采用高密度聚乙烯（HDPE），并对s=0.6和s=0两个工况进行数值仿真研究.试验和数值仿真结果表明:旋流的引入有助于火焰稳定，对提高补燃室压强和燃速有积极作用.在旋流工况下会使药柱表面热流密度高于无旋流，并使燃烧室中的化学反应更加充分.高强度旋流的引入会使燃烧更加充分，燃烧效率有所提高.      

固体发动机实际成型药柱燃面退移快速算法

针对固体发动机电子计算机断层扫描(CT)图像数据具有伪影噪声的问题，和实际成型药柱燃面粗糙度大、退移计算难度大的问题，提出一种CT数据的快速最小距离函数(CTFMDF)法。固体火箭发动机CT图像中存在伪影噪声，采用非均值滤波(NLM)算法对CT图像进行去噪处理，采用Scharr算子对去伪影后的图像进行Canny边缘检测，提取装药燃面。最大类间方差(OTSU)算法将装药分离，并建立三维装药体数据模型，对燃面数据建立多个并行K-d树，快速检索出装药到燃面的最小距离。实验结果证明：对于不同的装药结构，可以完成任意燃去厚度时的燃面位置，且CT-FMDF法运行时间更短。基于CT实测数据，对于带有初始燃面缺陷的装药，可计算出燃烧时缺陷对燃面的影响。     

镁粉与二氧化碳动态点火燃烧特性数值研究

Mg粉/CO₂粉末发动机是火星探测中较为理想的原位资源利用方案，为了掌握Mg/CO₂粉末发动机稳定点火燃烧特性，在考虑氧化层厚度对Mg颗粒熄火影响的基础上，基于涡耗散/有限速率模型建立了点火燃烧模型，并应用数值计算方法研究了Mg粉颗粒粒径（5μm， 10μm， 15μm， 20μm和25μm）、入口预混气流雷诺数（1500， 2000， 2500， 3000和3500）和CO₂/Mg氧燃比（0.5， 1， 1.5， 2和2.5）对Mg粉/CO₂动态点火燃烧的影响。计算结果表明：雷诺数和氧燃比恒定时，随着粒径从5μm增加到10μm，平均温度升高，平均点火时间延长，燃烧效率增加；随着粒径从10μm增加到25μm，平均温度降低，平均点火时间延长，燃烧效率减少。粒径和氧燃比恒定时，平均温度随雷诺数增加而下降；平均点火时间和燃烧效率随雷诺数增加基本不变。粒径和雷诺数恒定，随着氧燃比从0.5增大到1.5，平均温度升高；随着氧燃比从1.5增大到2.5，平均温度下降；平均点火时间和燃烧效率随氧燃比增大基本不变。     

状态/输入约束下飞-推一体化的保性能安全控制

基于飞行-推力一体化思想提出了一种针对搭载超燃冲压发动机的吸气式高超声速飞行器速度通道的状态/输入约束自适应鲁棒保性能安全控制方案。首先根据超燃冲压发动机的机理分析与计算流体动力模型数据，建立了安全子系统与性能子系统面向控制的仿射非线性模型。之后基于障碍Lyapunov理论与动态面设计方法设计了一套安全子系统状态约束控制器，从理论上保证了飞行器在跟踪指令的全过程中，发动机相关状态不会触碰安全边界，并结合自适应技术与辅助系统提高了该控制系统的鲁棒性。针对性能子系统设计了一套鲁棒自抗扰控制器，达到“保证安全的前提下不折损性能”的目的。仿真结果表明所设计的控制系统可以在保障安全的同时达到预想的性能，并显著放宽了超燃冲压发动机对飞行器飞行姿态的约束，保证了高超声速飞行器的机动灵活性。     

锥形预混火焰羽流脱落过程的实验诊断

为了研究锥形预混火焰的羽流脱落特性，以丙烷-空气预混火焰为实验对象，通过粒子图像测速技术对锥形预混火焰的羽流速度场进行了实验研究，动态模态分解法对得到的速度场进行了模态分解和主要特征重构还原。同时采用光电倍增器对火焰热释放强度信号进行实时采集,采用双热电偶法对然后热气体的温度进行了重建。结果表明在浮力诱导下燃尽气体与周围环境空气相互剪切形成剪切层（BSL）， BSL 的 KH 不稳定性诱导产生了涡，涡作用于燃尽区附近的流场，扰动传至火焰面附近区域，与火焰剪切层（FSL）的 DL 不稳定性耦合，表现为火焰面的脉动和火焰热释放率的脉动。通过近红外自发光成像得到的热气体自发光强度与温度信号有较强的相关性，热气体呈现出与速度场相似的周期性传播模式，为研究预混火焰的羽流脱落特性提供了新的思路。     

热力学非平衡对超燃冲压发动机冷态流动影响研究

随着流动马赫数和温度的变化，热力学非平衡对流动的影响也在变化。为研究热力学非平衡对不同飞行马赫数条件下的超燃冲压发动机冷态流动的影响，对三个经典的超燃冲压发动机模型，包括JAXA Ma12-02超燃冲压发动机，DLR超燃冲压发动机，以及Hyshot II超燃冲压发动机进行数值模拟。针对每个超燃冲压发动机，分别采用三种热力学模型进行模拟，包括量热完全气体模型（对应冻结流动），单温度模型（对应热力学平衡流动）以及双温度模型（对应热力学非平衡流动）。计算结果表明，热力学模型对超燃冲压发动机内流波系结构的位置有一定影响：从整体上来说，双温度模型计算所得波系位置比量热完全气体模型计算结果靠后，比单温度模型计算结果靠前；不同热力学模型计算所得波系位置在发动机前段相对较为接近，而随着向下游发展，波系位置的差别逐渐增大，这是上游每一道波系位置的差别逐渐累积的结果；在发动机前段，双温度模型计算所得波系位置更接近于量热完全气体模型计算结果。通过分析不同热力学模型计算所得激波角可以对此进行解释。而就本文涉及的三个小尺寸超燃冲压发动机而言，热力学模型对气动力和力矩的影响相对较小。不同热力学模型计算所得气动力和力矩的差别主要来源于计算所得激波串位置的差别。     

基于TDLAS技术的喉栓式变推力发动机羽流速度特性

为研究喉栓式变推力发动机动态调节过程的羽流速度特性，采用有限速率化学反应模型和动网格方法，建立了考虑后燃反应的发动机羽流动态仿真模型。基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术测速原理，对羽流速度测量结果进行了仿真计算。分析了喉栓往复调节过程的羽流瞬态流场结构，探究了后燃反应及测量位置对TDLAS羽流测速结果的影响。结果表明：发动机羽流场结构随着喉栓往复调节呈周期性变化，喉栓趋于关闭时，喷口附近出现强激波，下游羽流速度分布更均匀，速度梯度对TDLAS测量的影响降低；后燃反应导致羽流下游速度和H2O组分分布发生显著变化，沿下游方向，后燃反应对TDLAS所测沿光路平均速度振荡幅值的影响逐渐增大；实际测量时，选取距喷口更近的测量位置可以降低后燃反应和速度梯度的影响，获得更接近轴线测点速度的结果。     

低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能研究

为研究固体填料粒度级配及工艺助剂对低铝低燃速HTPB推进剂工艺性能的影响，依据固体颗粒堆积最密集排列理论，建立了固体颗粒级配模型，结合固体填料实际粒径，计算得到两种理想刚性球的堆积结果，并在此基础上考察了不同级配配方药浆流动性及触变性。同时，通过筛选工艺助剂种类及优化最适助剂用量，对比了加入不同工艺助剂配方药浆的触变性。结果表明：当采用双二级配模型，计算出的固体颗粒级配比例最优；通过进一步优化固体颗粒级配，结合药浆触变环大小快速判定了推进剂固体级配的合理性，提高了低铝低燃速HTPB推进剂配方工艺性能的可设计性；当工艺助剂选用SU-2，且用量为0.03%时，推进剂工艺性能明显改善，适用期可达596min。