某型氢氧火箭发动机频率特性模块化建模计算分析

为分析某型氢氧火箭发动机频率特性,建立了主、副系统耦合的线性化动态模型：通过一维分布参数模型描述管路特性;采用考虑熵波的绝热流动模型描述燃烧组件特性;推导了转速脉动反馈的传递函数,采用考虑气蚀效应的模型描述泵组件;采取有理近似式表达分布式参数模型和热力组件中的超越函数。在Simulink平台上建立模块化仿真模型,采用扫频法获取频率特性,并利用热试车数据进行验证。结果表明,所开发的模块化仿真库对工程应用十分友好,可用于分析发动机系统低频至中频频率特性;该型发动机在燃气脉动激励下将产生主系统10、165 Hz和副系统124、204 Hz的频率响应;考虑转速脉动反馈计算所得特征频率更加准确;增加泵前管路局部流阻和燃气发生器喷注压降,可提高发动机系统稳定性。     

对全流量补燃循环发动机系统的研究与分析

论述了全流量补燃循环氢氧发动机的工作过程,并给出了基于这种循环方式的发动机的系统简图。根据现有的氢氧发动机的研制现状,针对全流量补燃发动机进行了系统参数的平衡计算。从这种循环方式的工作机理出发,结合参数计算得到的结果对这种循环方式的发动机的先进性进行了讨论。认为这种循环方式的氢氧发动机可以具有更高的可靠性,以及能够获得更高的性能,能够满足人们现在对高可靠性,低成本,可重复使用的液体火箭发动机的要求。      

基于AMESim/Simulink的补燃循环火箭发动机与调节阀特性仿真

在AMESim软件环境下重新建立了某型补燃循环液体火箭发动机的调节阀部件动态模型，在Simulink软件环境下建立了机电作动系统的动态模型，将两者与修改后的火箭发动机模型进行变推力过程联合仿真，并在仿真中注入输送管路压力扰动。仿真结果表明：机电作动系统与调节阀模型能够反映发动机变推力过程中各部件内部的参数变化；联合仿真保持了原发动机模型的稳态精度，各主要参数误差均在1‰量级；调节阀的活塞自反馈机构能够抑制输送管路中低频压力波动对发动机推力的影响。     

液氧/煤油补燃发动机低频频率特性研究

基于模块化层次化的建模技术,建立液氧/煤油补燃发动机的线性小扰动频率特性仿真模型.在建模过程中,重点考虑了绝热流动假设和熵波影响下的气路模型.依据交流流体网络理论,运用传递函数法分析了该型发动机的低频频率特性,为研究液体火箭的纵向耦合振动(POGO)及发动机动力学提供帮助.      

一种小型全流量补燃循环火箭发动机实验装置

介绍一种新的液体火箭发动机动力循环型式—全流量补燃循环的概念及其相对于其它动力循环的优点。为研究这一先进的循环系统,设计了一套小型全流量补燃循环氢/氧火箭发动机实验装置。结合该装置的系统方案,对其进行一维管路计算;通过对2个预燃室进行热力计算,确定了其燃烧温度和预燃气体的热物理性质;在燃烧室压强和混合比大范围变化的情况下,对氢氧推进剂的比冲特性进行探讨,以此确定燃烧室压强为4.0MPa,推进剂余氧系数为0.75。最后估算出该实验装置所能产生的推力为4018.77N。      

基于燃气射流冷凝的氧路系统频率特性研究

基于热力学不平衡两流体六方程模型模拟了液氧煤油补燃循环发动机燃气射流在氧路系统泵间管路液氧流体中的冷凝过程，获得了燃气射流冷凝特征参数沿管路流向的分布规律。根据Rayleigh-Plesset方程和燃气射流特性建立了泵间管路燃气冷凝过程的传递函数模型，并与氧路管路、泵等组件模型联立求解，分析了发动机氧路系统频率特性。研究了在不同氧路入口压力和液氧温度边界条件下，泵间管路燃气射流冷凝过程对氧路系统频率特性的影响，仿真结果表明高入口压力和过冷液氧改变了射流气体的惯性和柔度，使得氧路系统特征频率增大。不同边界条件下发动机热试车结果表明，提高氧路入口压力或降低液氧温度使得氧路系统频率从8.3 Hz提高至11 Hz，与数值仿真结果一致，验证了泵间管燃气射流冷凝过程是影响氧路系统频率特性的重要环节。     

低温推进剂单管输送系统的循环预冷实验研究

采用了外加循环支管方式抑制火箭发动机中低温推进剂输送管路中产生的间歇泉现象,对外加支管的低温推进剂单管输送循环预冷系统进行了数值模拟及实验研究。研究了在外加循环支管的管路结构下,增压对循环预冷过程的影响。实验结果表明:单管输送系统中采用外加循环支管的方式可以使整个管路形成循环,这种方法可以有效抑制低温推进剂输送管路中间歇泉现象的产生。     

泵压式固液火箭发动机系统仿真与优化设计

提出了以高质量分数过氧化氢为氧化剂的泵压式固液火箭发动机的系统仿真和优化设计方法.利用高质量分数过氧化氢易催化分解的特点,建立了采用泵压式输送系统的固液火箭发动机系统仿真模型,并应用遗传算法分别对采用挤压式和泵压式两种输送系统的固液火箭发动机开展优化设计.结果显示:虽然增加了管路系统的复杂性,但在总冲相同时,泵压式固液火箭发动机在质量、体积、比冲等性能上均优于挤压式固液火箭发动机,因此具有更大的工程应用潜力和优势.      

基于H ∞ 回路成形的变循环发动机多变量控制

为了进一步提升变循环发动机的性能，针对3输入3输出变循环发动机模型，利用相对增益矩阵（RGA）分析了发动机内 部的耦合性；采用基于目标函数的2自由度H ∞ 回路成形法设计了多变量控制器，并与传统单变量PI方法做了对比。仿真结果表 明：多变量控制系统具有良好的扰动抑制能力和跟踪性能，且能够顺利实现模态转换；与单变量方法相比，在同等的穿越频率及相 位裕度约束下，n 1 回路阶跃响应的超调量减小了95.3%、调节时间缩短了51.5%；πe回路的最大偏移量减小了89.69%、调节时间缩 短了27.4%。表明多变量方法可以对变循环发动机进行有效控制且在跟踪控制过程中的性能更优，可以显著提升变循环发动机 的性能。     

火箭射流对RBCC进气道性能的影响

火箭基组合循环(RBCC)推进系统在引射模态时存在火箭发动机和冲压发动机的共同工作,为了分析引射模态时进气道的性能和流场特征,根据RBCC的特点,设计了一种RBCC用二元式进气道,采用数值模拟方法研究了不同飞行高度、马赫数和掺混段反压下火箭射流对进气道性能的影响。研究发现,火箭发动机的工作状态决定了火箭射流对进气道性能的影响:当火箭发动机工作在过膨胀状态时,火箭射流的引射抽吸作用明显提高了推进系统的抗反压能力,但并不改善进气道的起动能力;当火箭发动机工作在欠膨胀状态时,火箭射流的压力扰动会使进气道扩压段产生结尾激波,进气道性能随之改变。     

基于分布参数线性化模型的分级燃烧循环液体火箭发动机频率特性计算

采用一维分布参数模型描述发动机的管路系统,将发动机各部件和管路的线性化模型表示为联系输入输出参数的传输矩阵形式。根据发动机各部件的连接关系,将发动机系统划分为若干模块,用矩阵变换的方法求得发动机各模块的传输矩阵,构成发动机系统方程组。      

重型运载火箭动力系统分析

讨论了两种载人登月的动力系统方案,分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了重型火箭箭体结构和任务要求.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案.提出了一套重型火箭动力系统,建立了一个运载火箭系列,并对其运载能力进行了计算.经综合分析,提出登月火箭可采用8 m直径的三级半结构,助推级、第一级和第二级均为推力5 000 kN量级富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机,第三级为2台50 t氢氧发动机.      

补燃循环发动机强迫起动过程

以补燃循环液氧煤油发动机系统为研究对象,对其强迫起动特性进行了研究.建立了描述补燃循环发动机瞬变过程的数学模型,提出了求解推进剂供应管路瞬变流控制方程的Chebyshev伪谱方法.采用新的面向对象仿真语言Modelica,建立了可扩展的发动机仿真模型库,在MWorks平台上,利用模型库搭建了补燃循环液氧煤油发动机仿真模型.对发动机强迫起动过程进行了仿真计算,计算结果与试车数据基本相符,其中稳态相对误差小于4%,动态相对误差小于10%,初步验证了模型的正确性.进一步分析了火药起动器工作时间、阀门打开时序等因素对发动机起动过程的影响.结果表明,为保证该发动机可靠起动,发生器点火应在氧化剂头腔充填完成后,火药起动器工作时间应持续到发生器点火.      

燃油气液比对飞机吸力供油的影响研究

吸力供油是民用飞机燃油系统的基本功能,燃油气液状态是影响吸力供油能力的关键性因素。以某型飞机为例,通过严格的试验方法,对吸力供油能力进行了验证,并以试验数据为基础,对燃油气液比进行计算,分析了其产生的影响。研究结果可用于指导飞机燃油系统设计和发动机性能评定。     

重型火箭下面级发动机基本参数分析

分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了任务要求以及一套重型火箭箭体结构方案.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案,包括推力量级、推进剂以及发动机循环方式的选择.采用面向对象的通用顺序化计算方法,建立发动机系统仿真模型,计算得到9个发动机方案的最高室压及功率平衡参数,分析了燃烧室压强和混合比对发动机性能的影响.经综合分析,建议重型火箭下面级发动机可选择推力4 500～5 000 kN富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机.      

电动膨胀循环液氧甲烷变推力发动机动态特性研究

电动泵压式液体火箭发动机受到了广泛的关注，然而电池有限的输出功率和过于沉重的质量成为限制电动泵压式发动机发展的重要因素。为此本文提出了一种电机驱动燃料泵和涡轮驱动氧泵的电动膨胀循环液体火箭发动机方案，并着重研究了该型发动机的动态响应特性。首先给出了20 kN级电动膨胀循环发动机的技术指标和部组件参数，进一步基于AMESim平台建立了全系统动力学模型，验证了方案的可行性和部组件动力学模型的准确性，并深入研究了单点工况和调节工况的动态响应特性。结果表明，针对启动过程而言，涡轮泵调整时间较电动泵长，这降低了系统响应速度，但工况越高，系统响应速度越快；高工况启动时，甲烷在冷却通道内的剧烈相变和跨临界状态的不连续物性相互耦合易引发系统振荡；就调节过程而言，推力调节时普遍存在超调或凹坑现象，且系统在两相同工况之间调节时，正调响应速度快于负调，这也导致阶跃幅值相等条件下的系统调整时间随目标工况升高而缩短。     

基于推力连续准则的小型涡轮冲压组合发动机模态转换过程分析

基于数值模拟方法开展了小型涡轮冲压组合发动机性能计算与匹配性分析.给出了详细的性能计算流程、设计点参数确定准则和模态转换过程参数计算方法.根据涡喷发动机压气机进口、涡轮出口的总静压参数沿飞行轨迹的变化规律,确定了涡轮模态向冲压模态转换的合理区间.根据冲压燃烧室进口参数和静压平衡等约束条件,确定了小型涡轮冲压组合发动机关键截面几何参数.分析了不同的流量调节阀开度对模态转换过程参数变化的影响.按照推力连续的准则,确定了模态转换过程流量调节阀开度随马赫数的变化规律.最后给出了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机推力、比冲和喷管喉道面积的变化.      

液体火箭发动机供应系统频率特性

为了研究减少液体火箭发动机供应系统振荡的有效工程措施，对模型系统与真实系统建立适用于中高频分析的线性化复频域传递函数矩阵模型，结合节流圈阻抗与管路特征阻抗对比方法，分析系统流路在出口压力激励下的频率特性。结果表明：激励源端可能产生谐振频率偏移效应，应选取非激励源端的幅频响应来判断系统谐振频率；节流圈具有较强的频率选择性和对表现出反谐振特征的系统具有位置选择性，需重视关注的频率与位置；节流圈位置越靠近流量振型波腹，或流量波腹位置处的节流圈压降越大，对流路中振荡衰减作用越大。针对该液体火箭发动机供应系统，缩短液氧路管长0.1 m，增大煤油路管长0.05 m，并调整节流圈压降分配，可有效减小供应系统振荡。