固体火箭发动机撞击安全性数值分析

针对固体火箭发动机撞击安全性问题,采用数值分析方法,建立了某两型高能固体火箭发动机轴向与径向撞击模型,完成了不同速度、不同撞击角度下的发动机安全性分析计算,得到了在不同撞击条件下固体火箭发动机推进剂的燃烧、爆炸等反应特点。对比相同工况下的火箭撬试验结果,计算结果与实际试验接近,验证了数值模型及参数的正确性。利用已验证的模型和参数,采用相同的计算方法,通过对模型在不同速度下进行多次仿真计算,得到两型发动机的撞击临界速度。研究表明,对于高能固体推进剂固体火箭发动机,随着尺寸与装药量增大,其撞击安全性降低,在相同尺寸时,径向撞击比轴向更容易发生反应。研究结果为高能固体火箭发动机的设计及撞击安全性分析提供了参考。     

固体火箭发动机喷流红外辐射实验及计算研究

介绍了缩尺固体火箭发动机不含铝推进剂喷流红外辐射的测量方案、测试设备与测量结果的分析及结论,并对不含铝推进剂喷流的流场和红外辐射场进行了计算。实验分别从与喷流方向成60°、90°、120°夹角位置测量了同一尺寸缩尺火箭发动机使用不含铝粉固体推进剂时、在约90kPa和5kPa两个环境压力下缩尺火箭发动机燃烧室压力以及喷流的红外辐射强度,并对喷流流场进行了显示。本文给出了缩尺火箭发动机实验时,不同环境压力状态下,喷流在2.7μｍ波段(波段一)和4.3μｍ波段(波段二)两个波段的红外辐射强度以及喷流流场图像,同时给出了在对应状态下的流场计算及红外辐射计算的结果。实验的结果验证了计算方法的正确性。     

自旋火箭姿态运动的稳定性分析和数学仿真

本文主要对自旋火箭姿态运动的稳定性进行了分析,并给出了数学仿真结果。飞行试验结果表明,稳定性分析和数学仿真是正确、可靠的。     

过载下燃烧室粒子特性与绝热层烧蚀研究进展

总结和分析了国、内外对飞行过载下固体火箭发动机中出现的绝热层烧蚀问题的研究方法。详细阐述了燃烧室粒子粒度参数确定方法、过载流场数值模拟方法及地面模拟过载试验方法等方面研究进展。首次提出了获取过载下粒子分布参数的两种新途径,即基于飞行发动机的粒子收集分析法与故障位置反算分析法,给出了两种方法下的粒度分布参数;并提出了用火箭橇模拟过载下绝热层烧蚀的方法。结合某战术发动机,基于过载流场计算结果,讨论了短时间大过载与长时间中、小过载等两种典型工况对绝热层的烧蚀影响,并给出了热防护设计时应注意的问题。     

载荷—火箭分离导向机构参数设计及动力学分析

针对载荷—火箭分离中易碰撞以及载荷部姿态的问题,以多体系统动力学理论为基础,在ADAMS中建立了针对一种新型分离导向机构的载荷—火箭分离虚拟样机模型,分别就分离导向机构支柱刚度、高度、滚轮与载荷部之间预载对分离结果的影响进行了计算分析。结果表明：刚度与高度的取值越大,分离过程中的分离最小间隙就越大,越有利于火箭与载荷部的成功分离;预载主要影响载荷部的姿态。基于此结果,设计了一套分离导向机构的匹配参数,并结合姿态控制律,利用ADAMS与Simulink软件包进行联合仿真,校验了这套设计参数可以保证火箭与载荷部的正常分离,姿控系统可以纠正载荷部的姿态偏差。本文采用的研究方法以及所获得的结论对采用该形式分离导向装置的载荷—火箭分离问题具有普适性。     

喷管喉衬温度场计算影响因素的数值分析

本文以计算机数值实验的方法对固体火箭发动机喷管喉衬温度场计算的几种影响因素,包括温度场模型、对流换热系数,推进剂金属微粒引起的热幅射、材料物理参数及背壁边界条件等,进行了数值分析。针对小型固体火箭发动机工作条件给出了不同的计算条件变化可能造成的数值影响效果,力求为喉衬温度场计算选取模型和参数等问题提供参考。     

火箭飞行过程中的气动交连影响

本文提出了一种火箭飞行中考虑气功交连的气功力矩线性表达式,从而给出了一组考虑姿态交连的姿态角迭代方程组。该方程能较好的反映实际飞行中各姿态角变化的相互关系,并改进了原有单通道迭代方式,使用此组方程能使弹道计算程序自主进行。     

氢氧末级长时间滑行贮箱压力控制及关键技术分析

为通过弹道优化设计提升火箭发射圆轨道卫星的运载能力,同时提高火箭对不同发射任务的适应性,需要火箭末级具备长时间在轨滑行能力。对氢氧末级火箭而言,延长在轨滑行时间需要解决的一个重要问题是液氢贮箱压力、推进剂温度的预示和控制。结合微重力下贮箱内低温推进剂力热耦合运动特征,给出了低温火箭在轨滑行过程中贮箱压力控制的设计流程和计算方法,并通过计算分析获得了整个滑行阶段液氢蒸发量、补压气瓶需求量等关键设计参数,为工程研制提供参考。     

固体火箭药柱泊松比的表征与诊断

本文提出表征固体火箭药柱泊松比的三个精确表达式和一种数值积分算法。通过实验与计算给出一种固体推进剂药柱黏弹性泊松比的结果，分析了药柱黏弹性泊松比的表征与诊断以及诊断精度的有关问题。该文的结果对固体火箭发动机装药结构完整性分析计算有重要的实用价值。     

ZN3火箭姿态测量用太阳角计

本文给出了用于ＺＮ３火箭姿态测量太阳角计的原理和测量结果，讨论了背景抑制和标定方法，分析了误差来源。该仪器采用选取适当探测波段和比值测量方法较好地消除了地外太阳辐照和大气消光的影响，也有效地抑制了背景辐射的干扰，大大提高了测量精度。实测结果表明，火箭姿态角测量的均方根误差约为０．７°。这一方法适用于各种自旋稳定飞行器的姿态测量。     

RBCC发动机火箭推力增益之探讨

为提高火箭基冲压组合循环(RBCC)发动机火箭冲压模态下火箭推力增益,基于模拟飞行Ma=4来流条件的数值计算结果,分析了火箭射流与冲压主流超/超剪切流动的特性,探讨了火箭推力增益的组成,并给出了提高火箭推力增益的措施:1)冲压流道、火箭工作参数的选取必须确保两股超声速剪切流之间的流动匹配,在有限空间内快速、低损的实现高能火箭射流与低能冲压主流间的动量及质量输运,最大限度地提高发动机喷管排气速度及压力;2)采用高室压火箭,通过增加推力室室压,提高火箭燃气膨胀程度,减小火箭推力增益损失。     

火箭飞行中天球系到星敏系的姿态转换方法

在远程火箭飞行过程中,通过计算天球系到星敏系的旋转四元数,可作为星图模拟的输入数据。本文从坐标系定义出发,首先,完善了基于北京时间的格林尼治恒星时角在工程上的实用算法,根据多次旋转原理,给出了天球系到发射惯性系的姿态转换方法;其次,探讨了发射惯性系到箭体系以及箭体系到星敏系的姿态转换方法;最后,给出算例,通过仿真计算得出结果,验证了方法的可行性。该方法容易理解,根据推导思路也可举一反三,对于星图模拟中姿态的转换具有一定参考意义。     

无控火箭箭架系统扰动分析

无控火箭发射时,箭架系统耦合振动使得半约束期发射扰动引起的火箭偏转角速度变化和下沉量加剧,成为影响火箭落点散布的关键因素。以某型火箭发射系统为基础,采用物理模型和软件分析方法研究发射装置液压缸振动、发射仰角和箭架配合间隙等因素对出轨扰动的影响。根据液压缸压力变化结果,计算出燃气流作用下箭架系统的扰动频率,进而计算出燃气流扰动下火箭在半约束状态下受牵连运动影响的初始扰动值。理论计算结果显示,箭架振动幅值约占整个扰动角速度的1/5。计算和试验测量结果吻合较好,分析结果对火箭精度、箭架结构匹配性分析和发射装置设计具有指导意义。     

热防护材料在火箭羽流正冲条件下烧蚀性能的研究

在固体火箭的发射技术中，常常涉及处在火箭羽流冲刷下发射装置表面热防护材料的烧蚀问题，技术人员需要了解材料的烧蚀机理及其速度的予测。为此，本文对热防护材料在火箭流正正冲条件下的一无是处地理论分析与实验研究，并提出了一种能予估材料烧蚀性能的计算方法，计算结果与实例相符。     

地球临边观测卫星的姿态角仿真分析方法

针对地球临边观测卫星的姿态角计算问题,给出一种应用STK软件进行仿真的分析方法。利用STK软件的连接接口联立STK软件,创建仿真场景;在二体模型下,求得临边观测卫星姿态角的解析解,并作为下一步精确迭代求解的初值;在WGS84地球模型下,调用STK软件中的高精度轨道外推模型(HPOP),并结合推导的迭代公式,求得卫星姿态的高精度数值解。以20km和100km的临边观测为例,仿真计算姿态角,并将计算结果与二体模型方法的进行对比。结果表明,文章提出的方法可有效解决地球临边观测卫星的姿态角计算问题,且具有收敛迅速和计算精度高的优势。     

旋转飞行器固体火箭发动机引起的章动不稳定性分析

文中采用变质量系统的方法,分析了旋转固体火箭发动机工作过程中的章动不稳定性问题。将发动机内部装药简化为变质量系统的药柱,通过对系统姿态运动方程的分析,得到质量变化对飞行器旋转姿态运动的影响,并对几种典型装药进行了计算分析。结果表明,在端面燃烧情况下,固体装药质量的消失对旋转运动的影响是有利的,使得飞行器侧向角速度逐渐趋于稳定;而对于管形装药,结果却刚好相反,质量的消失使旋转的侧向角速度以指数方式递增,从而导致了飞行器的不稳定。通过对结果的分析,提出了发动机如何控制旋转章动和稳定性的设计思想,分析方法也可以帮助解决复杂装药旋转固体火箭发动机飞行器的章动不稳定性问题。     

火箭助推器从芯级飞行器动态分离过程的数值模拟

利用弹簧近似和网格重构相结合的非结构动网格技术，耦合求解Euler方程及弹道方程，时间方向采用四步Runge-Kutta方法，空间方向采用改进Barth和Jespersen限制器的通量分裂方法，数值模拟火箭助推器从芯级飞行器动态分离动力学过程。首先，计算单独芯级飞行器流场，与实验数据相比，符合较好；其次，计算火箭助推器和芯级飞行器组合体流场，得到分离前状态和气动力特性；在此基础上，比较采用弹簧和火箭作为控制力的两种分离方案，研究两侧火箭助推器分离不同步、攻角、侧滑角等因素的影响。研究表明，弹簧分离初期火箭助推器位移和姿态主要取决于弹簧控制力，弹簧全部断裂后气动力的影响加快姿态发散，在给定的设计参数条件下，可以实现安全分离；火箭分离存在复杂的喷流干扰，喷流对助推器的包裹作用使得分离初期自由来流影响较小；另外，分离过程对芯级飞行器的气动干扰不容忽视。     

运载火箭推力下降后的控制力矩重构分析

针对现役捆绑火箭在飞行中发生推力突降的问题,提出了一种基于改进单纯形法的控制分配策略。利用故障前后火箭控制力矩相等的思想,将推力下降后火箭发动机摆角的重新分配问题转化为目标函数约束下的线性分配问题,通过改进单纯形法进行了有效求解。结果表明,偏航角在关机故障发生后可以迅速恢复至平衡状态,滚转角在小幅抖震后同样快速到达稳定,该方法可以有效地改善火箭突发推力下降后控制能力减弱的问题,并维持故障后火箭姿态的平稳,对运载火箭姿态重构研究具有理论意义与工程应用价值。     

美国“超级斯届比”新快响火箭分析及启示

<正>美国空军小型"超级斯届比"(Super Strypi)固体火箭于2015年11月3日(夏威夷当地时间)在位于夏威夷考艾岛的太平洋导弹靶场进行了首次发射,发射时姿态失控导致火箭坠毁。本文对"超级斯届比"火箭发射情况、失败原因及后续影响进行了分析,介绍了美国其他快响发射项目,并结合我国实际情况提出了相关启示。     

固体捆绑火箭姿控系统建模与设计研究

针对固体捆绑火箭复杂空间模态对姿控系统的影响问题,推导建立了新的姿态动力学模型,分析了弹性振动对三通道姿态运动的影响并采用逆Nyquist阵列法进行了姿控系统设计。首先建立了新的固体捆绑火箭姿态动力学模型,模型中基于有限元法导出了弹性振动方程,这是与传统模型最主要的区别。然后针对弹性振动引起的三通道姿态运动间耦合问题,分析了耦合的强弱,采用逆Nyquist阵列法设计了控制器。最后通过时域仿真验证了方法的可行性。结果表明,虽然结构上捆绑火箭芯级和助推之间纵、横、扭耦合比较明显,但引起的三通道间耦合却比较弱,被控模型在设计频段内具有明显的对角优势性质。采用逆Nyquist阵列法设计的控制器是可行的,仿真结果满足工程要求。