液体火箭发动机系统设计仿真与优化

建立了某液体火箭发动机系统设计的仿真模型与相应的多目标优化模型,编制了系统仿真程序,并在iSIGHT的软件平台上针对不同的优化目标对发动机的设计参数进行优化.采用了组合优化策略,结合多岛遗传算法和序列二次规划算法分别进行全局寻优和局部寻优,求得全局最优点.建立了单燃气发生器循环系统的质量模型,在优化过程中考虑了发动机主要部件结构质量对系统性能的影响。以燃烧室压强、混合比和喷管出口反压为设计变量,优化目标包括发动机比冲、有效载荷、结构质量、密度比冲、关机时飞行速度、推进剂综合密度.并根据结果分析了燃烧室压强和混合比对发动机性能的影响.     

变状态测量中薄壁量热计后壁导热损失修正

针对超燃冲压发动机脉冲燃烧试验需求,基于能量平衡原理给出了对变状态条件下修正薄壁量热计导热损失的一种方法.对薄壁量热计进行了数值分析和试验验证,对比分析了修正前后的薄壁量热计测量结果.有限元分析结果表明,该方法可以有效补偿后壁导热损失,算例中修正前的热流测量误差不小于20%,修正后不大于4%.在超燃冲压发动机脉冲燃烧试验中,利用薄壁量热计与同轴热电偶热流测量了轴对称模型壁面上相同轴向位置的热流,冷态试验中修正前后的薄壁热流与同轴热电偶热流测量结果的相对偏差分别为-11.2%和3.3%.热态试验结果表明,试验中存在振荡燃烧现象,薄壁量热计的响应时间约为0.02s,与振荡周期(约为0.03s)接近,不能正确反映燃烧状态的变化.      

基于ZEMAX软件的圆喷管成像畸变校正方法

准确显示圆喷管内流场,对于了解和控制该流场具有一定意义,并能为相关数值计算结果提供验证.为此,必须首先解决较厚圆喷管成像畸变带来有效视场减小的问题,采用圆喷管外加校正柱透镜方法可以予以校正.校正柱透镜的设计采用厚透镜焦距计算和ZEMAX软件优化设计相结合,并进行了静态验证,将有效视场从不到30%提高到了大于80%;其次,校正设计时假设圆喷管内折射率为1,并以平行光出射,通过对这个假设的分析,表明其对圆喷管内一定的高温高压流场显示结果影响较小;然后,分析了流场显示的可行方法,给出了动态显示结果;最后指出了该校正方法的可行性和对于定量干涉测量的局限性.该研究对于圆喷管内燃烧流场的研究具有参考意义.      

再生冷却推力室的多学科设计优化

以某型火箭发动机的再生冷却推力室为研究对象,建立了关于推力室的几何型面、质量、流动、传热和结构应力的仿真模型,在iSIGHT软件平台上利用基于响应面模型的协同优化算法对其进行了分布并行的多学科设计优化(MDO),优化目标为权衡推力室质量、出口比冲和冷却通道压降的综合改善。改进的计算结果表明了MDO在推力室设计中的可行性和实用性。     

基于RIPless理论的层析SAR成像航迹分布优化方法

层析合成孔径雷达成像(TomoSAR)是通过同一观测区域不同入射角的多幅二维合成孔径雷达(SAR)图像在高程向进行孔径合成,从而实现三维成像。近年来,压缩感知(CS)被用于高程向稀疏场景的重建,高程向重建质量取决于观测矩阵的性质,而航迹分布是影响观测矩阵重构性能的重要因素。相比于度量观测矩阵重构性能的其他约束条件,RIPless理论具有有效、直观和计算简单等优点。提出了一种基于RIPless理论的压缩感知层析SAR成像航迹分布优化准则,从而在航迹数目一定的情况下,获取最优分布以实现高程向优化重建。最后,通过仿真和实验验证了所提优化准则的有效性。     

氢燃料双模态冲压模型发动机M6的试验研究

笔者研究了一个有突扩台阶的氢燃料高超声速冲压发动机模型的气体动力学特性和推力特性。氢气从位于燃烧室突扩台阶后的支板逆来流喷注,测量了氢气燃烧状态下模型发动机壁面的压力分布和推力收益数据。实验结果表明,在氢气的当量油气比为0.35～0.8的范围,在本模型流道构型条件下,氢气自燃,并随当量油气比的增加,燃烧室内压力增加,获得的推力收益增大,最大推力收益达到500N。实验在CARDC的脉冲燃烧风洞中进行,实验马赫数为6,总温1850K,总压5.5MPa。     

反压诱导方式对超燃冲压发动机隔离段流动特性影响

为了探究传统机械限流方式同燃烧释热对隔离段流动特性影响的异同,采用实验结合数值计算的方法研究了限流方式与实际燃烧诱导压升的差异.使用氢燃料进行不同当量比的燃烧实验,并使用燃烧室出口安装楔块的方式进行限流实验,对比了来流条件相同,且隔离段出口压比相同时两种实验下的压力分布.使用经过验证的数值方法模拟了不同隔离段出口压力下燃烧状态及对应的限流状态,对比了两种状态下隔离段流场细节.实验结果表明:激波链即将进入隔离段时,两者的压力分布大致相同;激波链进入隔离段后,隔离段出口压比2.3,两者的壁面压力分布有明显差别.此状态下的计算结果表明:燃烧状态下隔离段内分离区首先出现于下壁面,激波链向上偏折;而限流状态分离区出现于上壁面,两者的流场会有一定差异.反压继续增大的计算结果表明:隔离段出口压比达3.0时,两者的隔离段内流场差别逐渐减小并最终趋于一致.燃烧反压场与限流实验的模拟反压场一致时,才能直接采用限流实验的结果评估反压对进气道的扰动风险.      

脉冲燃烧风洞及其在火箭和超燃发动机研究中的应用

近期美国X-43A的飞行试验数据表明脉冲式风洞能够预测飞行性能。中国空气动力研究与发展中心(CARDC)20多年来一直在发展各种脉冲燃烧风洞技术及其在火箭高空羽流、超燃发动机研究中的应用。典型的四喷管火箭底部挡板采用涡轮废气排气方案能大大减少底部热流，这是脉冲式风洞的成功应用成果；在60-80ms脉冲燃烧风洞中首次进行了室温煤油燃料的超燃模型发动机试验，测量了发动机内流道中壁面压力和发动机推力，比较了脉冲式风洞和连续式风洞的试验结果。研究表明：在M=5、6试验条件下，煤油自发点火延滞时间约4ms，因而工作时间为60-80ms的脉冲燃烧风洞能够十分经济奏效地进行超燃模型发动机研究。笔者亦介绍了正在研制中的大口径脉冲燃烧风洞方案。     

超燃冲压发动机电弧加热器试验流场调试

利用电弧加热器提供超燃冲压发动机地面模拟试验的纯空气流场，需要在前电极与喷管之间由冷气混合室加入冷气以降低电弧加热气体的焓值；为了较为准确地获得流场的总温参数，采用了总温探针对流场总温900-1600K进行了校测，总温的测量值与计算的焓值、流量匹配法计算的总温进行了对比，结果表明：总温越高，测量值与计算值相差越大，在名义总温1600K时达到了450K，笔者分析了产生的原因。     

总焓模拟含水实验介质对双模态燃烧室过程与性能的影响分析

为评估燃烧加热设备对冲压发动机地面结果的影响,采用经典准一维方法,考虑燃烧可能存在的化学平衡过程,结合所发展的工作过程物理模型,研究了地面模拟飞行马赫数4~7实验中、氢气-空气加热器采用总焓模拟标准时,含水实验介质对发动机释热与面积匹配、性能潜力的影响规律。结果表明,在模拟总焓条件下,使用略大的燃烧室,燃料比冲数据和纯空气条件较为接近,Ma4~6条件下偏差不超过±1%,Ma7时不超过+3.1%,最大比冲对应的特征马赫数也和纯空气条件相同;但燃烧室所需扩张比、燃烧效率、空气比冲均大于纯空气条件,其中Ma4~7时空气比冲的最大偏差分别达到+2.2%,+4.5%,+8.3%,+14.4%,燃烧效率的偏差分别为+0.7%,+1.9%,+4.2%,+9.4%。这些数据的巧合与矛盾说明,需要在理解实验介质影响规律的基础上,建立纯空气应用时释热工作过程的再设计能力。