导弹燃气弹射内弹道多目标优化设计

针对燃气弹射内弹道目标多导致传统穷举法寻优难的问题,在缩短初容段以提高车载机动性能的工况下,分析了环形隔板平滑弹底压力冲击、增大导流锥半径、减小筒底压力的流场机理,提出了第5块环形隔板和导流锥半径共同变化的结构方案;建立了基于优化拉丁超立方和六阶响应面的近似数学模型,利用多岛遗传算法和序列二次规划算法搭建了组合优化策略平台。数值结果表明,提出的结构策略能平衡4个优化目标间耦合关系,搭建的优化平台能克服穷举寻优计算量大的局限,算法组合策略能互补优点而迅速捕捉最优解;优化后,加速度峰值减小了6.6%,加速度曲线平稳性增加了79.5%,筒底压力峰值增加了16.2%,弹底热环境品质增加了6.1%。     

舰载机偏心情况下弹射起飞研究

在研究舰载机弹射过程中,考虑弹射杆形变、轮胎的滚动摩擦力和侧向滑动摩擦力对弹射起飞的影响,通过建立完整的蒸汽弹射器模型和舰载机六自由度动力学模型,并分析舰载机与弹射装置之间的衔接情况,分析不同偏心距情况下舰载机运动姿态、弹射杆和弹射器的受力.舰载机在偏心情况下会发生滚转运动与偏航运动,进而使弹射杆受到垂直于舰载机运动方向的侧偏力.仿真结果表明:侧偏力的产生原因主要是滚转运动和偏航运动,偏心距越大,弹射杆所受的侧偏力越大,而俯仰角几乎不变;汽缸有杆腔压力随着初始偏心距增大而有小幅下降,但变化不明显,因而舰载机的速度也有小幅下降.     

导流锥结构参数对燃气弹射筒内压力冲击平滑效果影响研究

针对导流锥结构参数对内弹道流场耦合影响问题,基于动态分层动网格技术,构建了含导弹运动和二次燃烧的内弹道数值模型,并验证了模型可靠性。解耦分析了导流锥半径、高度及冲击高度对内弹道流场特性和载荷的影响。结果表明：导流锥的结构直接决定燃气飞溅现象的产生和流场结构的紊乱程度,导流锥的半径、高度和冲击高度的改变会对燃气反射点的位置、二次燃烧的区域以及剧烈程度产生影响;结构优化后的导流锥,较大程度地缓解了冲击现象,获得了较好的平滑效果,筒底压力较实验装置降低了24.5%。     

进气角与注水规律对燃气-蒸汽弹射的影响

为了研究弯管进气角和注水规律对燃气-蒸汽弹射过程中流场和内弹道的影响,采用Mixture多相流模型,Renormalization group (RNG) k-ε湍流模型和动网格技术,建立了燃气-蒸汽弹射数值模型.通过与文献数据的对比,验证了数值方法的可靠性,分析了注水规律与弯管进气角度对燃气-蒸汽弹射过程流场和内弹道的影响.研究结果表明:当弯管进气角为60°时,燃气-蒸汽介质的能量能得到最大利用,发射筒内的温度分布较均匀;另外在同样的注水量下,缓慢注水导弹出筒时间相对较短,但波动较大;快速注水导弹运动平稳,但出筒时间较长.结果可为导弹燃气-蒸汽弹射动力系统的设计提供参考.      

基于导弹压力冲击平滑的燃气弹射装置环形腔结构参数次序优化

针对导弹低燃温弹射压力双波峰冲击的问题,建立了含二次燃烧和尾罩运动的二维轴对称数值模型,在与实验数据对比的基础上验证了模型可靠性。研究了环形腔平滑弹底压力曲线的流场机理,解耦分析了其结构参数对压力冲击平滑效果的影响,并提出了次序优化的思路。数值结果表明:环形腔能有效阻挡燃气向上扩散且腔内具有存储氧气的功能,使二次燃烧沿时间维度展开,从而平滑弹底压力冲击;在由初容室空间几何约束确立环形腔布置高度和环形半径后,以长度作为调控弹底压力曲线的主要结构参数,收缩或扩张角度作为微调的结构参数,可使压力曲线逼近理想设计曲线;布置优化后的环形腔,加速度峰值减小9.26%,出筒速度减小4.13%,出筒时间延长2.5%。     

同心筒发射装置燃气排导的气体动力学原理分析

通过同心筒发射装置燃气排导的流场分析,提出了同心筒气体动力学过程的简化模型,分析了燃气从发动机喷管流出后分别经历一个的变截面和摩擦管流的过程,并对一个具体的同心筒发射装置的流场进行了数值模拟,验证了所提出的简化气体动力学原理模型的正确性.然后根据原理分析,总结出了几个同心筒结构优化设计中需要考虑的参数,解释了这些设计参数的作用原理,使同心筒的优化设计有了初步的理论指导和优化方向,并根据基本原理给出了一种快速估算最小狭缝宽度和平均附加弹射力的方法.      

两级弹射筒与三级弹射筒座椅性能的对比分析

弹射筒作为火箭弹射座椅的一级动力,其作用是为人-椅系统弹射出舱提供一定初速。原三级弹射取消一段中筒后变为两级弹射筒,其弹射行程变短、出舱初速降低、出舱时间缩短,这些对座椅的弹射出舱性能以及弹射性能产生一定影响。本文对三级弹射筒和两级弹射筒从出舱受载、出舱姿态、总压信号采集、救生性能等方面特点进行了对比分析。通过试验数据和仿真结果的综合分析,认为采用两级弹射筒,座椅在出舱受载、出舱姿态等方面较三级弹射筒座椅得到了一定改善。     

飞机弹射救生系统内弹道数值仿真研究

以往研究弹射筒,主要以单级弹射筒为对象,对多级套筒式弹射筒研究不足。在计算中,往往忽略了有效面积以及滑轨摩擦的因素,所建立的模型通用性差。在分析弹射机构的结构以及工作过程的基础上,建立了适用于套筒式弹射机构的内弹道模型,仿真并与实验值进行对比,误差在0.77%~1.91%之间,证明了模型的正确性,可以为弹射筒方案设计和验证提供理论依据。     

旁泄间隙对燃气弹射内弹道特性影响

为了研究旁泄间隙（发射筒与隔板的间隙）对燃气弹射内外流场及内弹道特性参数的影响，采用Realizableκ-ε湍流模型，结合动态分层动网格及用户自定义函数（user defined function,UDF）技术，对燃气弹射过程进行了数值模拟，分析了旁泄间隙大小对燃气弹射性能的影响，并进行了地面发射试验。通过与试验数据对比，验证了燃气弹射仿真模型的有效性。仿真结果表明，在旁泄间隙出口附近形成明显漩涡，旁泄间隙的增大会导致低压室压力与加速度峰值减小，并使试验弹出筒时间延长、出筒速度降低，但变化趋势呈现非线性特征。旁泄间隙从2 mm增大到6 mm时，出筒时间延长7.7%，出筒速度降低16.3%，可认为在此范围内旁泄间隙的影响幅度相对较小；但此后旁泄间隙的影响会显著增强，当旁泄间隙从6 mm增大到8 mm时，出筒时间延长20%，出筒速度降低35.8%，当旁泄间隙增大到10 mm时，试验弹到筒口速度甚至降为0 m/s。本文研究结果为燃气弹射装置的设计与优化提供参考借鉴。     

导弹弹射装置作动简的建模与仿真

首先描述了导弹弹射机构作动筒的工作过程,建立了描述作动筒动特性的物理模型和数学模型,然后利用MATLAB求解仿真模型,得到气缸动特性参数随时间变化的可视化仿真结果,最后分析了惯性负载、行程、有效面积对作动筒动特性的影响,为正确设计新的导弹弹射装置作动筒提供了理论依据。     

金属燃料/水冲压发动机构型试验

为了获得水冲压发动机构型对其燃烧性能的影响,采用中等金属含量燃料研究了四种发动机构型一次加水后的燃烧性能,试验得到了发动机压强、燃烧效率和喷射效率等性能参数。试验表明,不同发动机构型对发动机工作过程存在较大影响,发动机进水后存在收敛段,会出现压强振荡现象,收敛段也会降低喷射效率。金属燃料自持燃烧产物通过喷孔进入补燃室与水发生反应,虽可消除发动机压强振荡现象,但燃烧室会产生大量残渣。将燃烧室和补燃室直接相连,可实现发动机稳定工作,提高喷射效率。     

应用质心定理分析单级延伸锥的展开规律

本文对单级附性作动筒套筒式延伸锥,应用质心运动定理建立平衡关系,得到一个二阶常微分方程,然后应用四阶龙格-库塔方法得到相应时间作动筒外筒相对内筒的位置、速度和加速度,相应时间延伸锥的位置、速度和加速度,及延伸锥完全展开所需时间的数值解。      

水下燃气-蒸汽弹射气-液两相流场数值研究

基于计算流体动力学方法和均质多相流理论,采用汽化模型模拟燃气与冷却水的汽化过程,使用动态网格分层技术模拟导弹的运动,对燃气-蒸汽弹射气-液两相流场进行三维非定常数值研究.通过与固体火箭发动机尾焰喷水效应实验对比,验证了数值方法的有效性.研究了弹射过程中流场结构、二次流现象和变深度弹射载荷和内弹道变化规律.结果表明:导弹弹射过程中汽化现象发生在弯管壁面处,汽化后的燃气-蒸汽高温区随着发射筒体积的增加发生偏移;燃气-蒸汽在发射筒和弯管截面上存在隔离区和二次流动现象,并且形成不同结构形式的漩涡;弯管受到的最大冲击力出现在0.16s附近和30°~ 60°弯曲角范围内;弹射深度每增加10m,观测点压力增加0.25MPa,弹动时间延迟0.01s.      

超高速干气密封扰流效应及抑扰机制

干气密封在高速时优异的动压性能使其应用范围从传统的压缩机、离心机等中高速设备逐渐扩大到航空发动机、（微型）燃气轮机等超高速设备中。基于实际超高速工况特点,对转速范围为10 000~120 000 r/min时的干气密封性能进行了系统性仿真计算,结果发现：在一定几何参数和工况参数下,类似于气浮轴承的微振动现象,干气密封会出现疑似受气体压力波动流影响的开启力、泄漏量与转速非正相关变化的扰流现象,尤其在高压、大膜厚、小槽深时的扰流效应愈加显著;在转速持续增大过程中,干气密封微尺度流场会出现二次拐点现象,且一次拐点发生转速与设计参数有关,而二次拐点发生转速基本约为90 000 r/min。同时结合导流织构的设计思路,进一步研究了超高速下干气密封槽底导流织构的驱动导流效应,结果表明：加设导流织构后,承载效果明显提高,拐点发生工况延后且压力波动区域被压缩。表明导流织构具有良好的抑制扰流、维持开启力与转速持续正相关的作用,在此基础上,进一步阐释了导流织构的抑扰机制,以期为突破干气密封在超高速工况下的应用壁垒提供新思路。     

激波绕射触发爆震波的试验研究

在单爆震试验平台上对激波绕射触发爆震波的特性进行了试验研究.针对不同的激波反射器结构尺寸,测量了爆震管内气体压力变化历程及火焰传播速度,获得了不同工况下激波绕射触发爆震波的特性.结果表明:激波反射器对爆震波的形成有促进作用,并取决于反射器中的反射锥及反射孔板的结构与尺寸;在反射锥堵塞比一定的情况下,存在最佳反射锥锥角使得爆震波的形成距离最小;而反射锥与反射孔板的间距增大,爆震波形成距离增大,一旦形成稳定的爆震波后,反射器对爆震波压力的影响不大.      

中心锥体结构脉冲爆震火箭发动机初步实验

为了改善采用液态燃料的脉冲爆震火箭发动机内部燃料的雾化以及燃料混合物的掺混状况,采用了一种中心锥体结构.该结构发动机不采用Shchelkin螺旋增爆装置,而采用中心锥体结构、二级供应方式.采用航空煤油为燃料、压缩氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体,在该结构脉冲爆震火箭发动机上获得了充分发展的爆震波并且能够在多循环条件下稳定工作.实验结果表明,该结构可以大大缩短DDT(deflagration to detonation transition)距离,在实验条件下爆燃向爆震转变距离约为管径的5倍.较之同一管径采用Shchelkin螺旋增爆装置的脉冲爆震火箭发动机,该结构发动机的爆燃向爆震转变距离缩短了57.5%.      

基于地外天体起飞的真空羽流导流技术仿真与试验研究

针对着航天器发动机羽流导流问题,基于工程经验提出了四种典型导流装置型面(包含内凹槽形式和导流锥形式等),利用计算流体动力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞过程中羽流导流带来的气动力和气动热效应进行了数值模拟,并对不同导流装置情况下羽流场激波、航天器表面压强和热流密度分布规律进行了分析,给出了四种导流装置的导流效果评价。最后以导流锥形式开展试验,对仿真算法进行了验证。结果表明：羽流导流并没有导致发动机燃烧不稳定;综合考虑航天器羽流和发动机安全性,大导流锥导流的方案最优;在导流锥附近的激波位置及形态和仿真一致,仿真与试验的变化趋势一致,仿真算法可信,数据规律可以作为工程参考。     

圆喷嘴气动谐振性能研究

对不同尺寸的圆喷嘴的自由射流尾迹的流场结构进行了分析,得到了激波位置随喷嘴直径以及喷嘴入口压力与环境压力之比的变化关系.其与圆柱形谐振管以及锥柱形谐振管组成的喷嘴-谐振管系统的数值模拟结果表明:喷嘴-谐振管系统能够产生强烈谐振的条件是谐振管入口的位置处于喷嘴自由射流流场的膨胀波区域内,若处于激波区内则无法产生谐振,与试验结果相吻合.通过对不同直径的喷嘴的谐振性能的比较,得到了最佳的喷嘴与谐振管的匹配.      

升力体布局飞行器偏航气动增稳方法研究

针对升力体飞行器偏航弱稳定性问题,提出了一种基于当地侧向流动膨胀/压缩原理的偏航气动增稳方法.通过对升力体后体侧缘进行曲线切削,造成切削表面流动先膨胀后压缩的气动效应,从而使得侧向气动力后移,以此实现航向压心后移、偏航静稳定性提高的目的.采用数值方法对单锥升力体布局进行了方法验证,算例表明较小的侧面切削可以大幅提高中小攻角状态偏航静稳定性,但也同时会不同程度地降低飞行器纵向静稳定性、升阻比以及横侧静稳定性.本方法在改善升力体布局航向静稳定性的同时,具有不带来航向附加气动安定面的优点,可引入相关布局设计优化之中.