低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

基于AMESim的隔舱式贮箱推进剂管理仿真研究

通过多学科动力学建模方法研究,利用AMESim建立了隔舱式贮箱推进剂输送系统机械、液流与控制动力学模型,并对不同工况下推进剂输送系统动态特性进行数值仿真,获得了隔舱式贮箱推进剂动态变化、各个隔舱 的推进剂消耗率及质心位移等结果.仿真结果显示隔舱总体布局与初始容积分配、隔舱连通结构、飞行轨迹等均对隔舱式贮箱推进剂动态变化产生影响,所建立的模型可应用于隔舱式贮箱总体及结构设计.      

差动活塞式热气自增压系统静态特性仿真研究

为了深入理解液体姿轨控发动机差动活塞式热气自增压系统的特点,依据增压系统平衡条件,采用集中参数法构建了系统的静态特性计算模型,研究了系统主要参数对系统状态和增压性能以及对系统自锁压力的影响规律。研究结果表明:系统增压气体流量朝着推进剂贮箱压力变化相反的方向而变化,起到调节和稳定推进剂贮箱压力的作用;燃气发生器毛细管参数的变化主要对系统增压流量造成影响,与长度相比,其内径变化对系统状态参数的影响作用更大;当压力放大比在设计值附近[-7.3%,+9.6%]变化时,系统稳态工作增压气体流量偏差保持在[-5%,0%]内;流量调节器结构参数的微小变动会引起增压气体流量的较大变化。     

差动活塞式热气自增压系统优化设计

为了进行应用于液体姿轨控动力系统的差动活塞式热气自增压系统优化设计,研究了一种基于遗传算法的优化设计方法。该系统由起动药盒、压力放大贮箱、流量调节器、燃气发生器和管道等组成。文中提出了在给定要求、约束和假设条件下进行系统总质量和起动时间的有约束多目标优化任务;建立了系统总质量、轴向尺寸、径向尺寸和系统性能参数的计算模型;采用归一加权法、惩罚函数法以及遗传算法求解了有约束多目标优化问题。根据帕累托前沿解,系统总质量的加权因子在[0.4,1.0]内变化时,可以得到优化结果。为了得到系统参数作为单目标的优化结果,本文进行了系统单目标优化,系统总质量、起动时间、质心漂移、轴向尺寸和径向尺寸各自作为优化目标可分别降低23.17%,34.40%,84.10%,62.28%和4.14%,增压效率可提高0.42%。分析了设计变量对系统参数的影响,结果表明压力放大贮箱气体腔初始体积、液体腔直径和起动药盒固体推进剂质量是影响系统参数的主要设计变量。     

差动活塞式热气自增压系统优化设计（英文）

为了进行应用于液体姿轨控动力系统的差动活塞式热气自增压系统优化设计,研究了一种基于遗传算法的优化设计方法。该系统由起动药盒、压力放大贮箱、流量调节器、燃气发生器和管道等组成。文中提出了在给定要求、约束和假设条件下进行系统总质量和起动时间的有约束多目标优化任务;建立了系统总质量、轴向尺寸、径向尺寸和系统性能参数的计算模型;采用归一加权法、惩罚函数法以及遗传算法求解了有约束多目标优化问题。根据帕累托前沿解,系统总质量的加权因子在[0.4,1.0]内变化时,可以得到优化结果。为了得到系统参数作为单目标的优化结果,本文进行了系统单目标优化,系统总质量、起动时间、质心漂移、轴向尺寸和径向尺寸各自作为优化目标可分别降低23.17%,34.40%,84.10%,62.28%和4.14%,增压效率可提高0.42%。分析了设计变量对系统参数的影响,结果表明压力放大贮箱气体腔初始体积、液体腔直径和起动药盒固体推进剂质量是影响系统参数的主要设计变量。     

液体火箭可贮存推进剂泄出速度影响因素分析

为提高液体火箭可贮存推进剂泄出速度,缩短泄出时间,通过分析泄出过程中推进剂流动状态及能量变化,建立了推进剂泄出速度的数学模型,按照实际设定参数计算了泄出量,计算结果与实际泄出吻合,并依据模型分析了相关因素对泄出速度的影响程度。结果表明：泄出转接波纹软管管径是影响泄出速度的主要因素,增加软管管径可显著缩短泄出时间;同时,贮箱气枕压力对泄出速度同样具有明显的影响。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅱ)增压系统数值模型与仿真结果

在所建立低温推进剂分布参数贮箱模型的基础上,采用液体火箭发动机试验台气路系统模块化建模与仿真软件,对某试验台液氧贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真研究.仿真结果与试验结果以及经验公式计算结果获得了很好的一致,表明分布参数贮箱模型相对于集中参数模型更为准确全面地描述了低温贮箱内的流动和热分层现象,并表明有限体积模型体系及所开发的仿真软件具有广泛的适用范围和良好的仿真精度,在管路系统仿真领域具有工程应用价值和数值拓展潜力.      

可重复使用运载火箭返回段低温流体行为特性

可重复使用运载火箭在返回段复杂干扰作用下，贮箱内低温推进剂与高温气枕剧烈掺混，造成贮箱压力下降、推进剂温度升高等问题。针对垂直起降（VTVL）运载火箭返回段推进剂掺混及重定位过程开展研究，首次建立了液氧掺混后行为特性仿真模型并通过加速落塔试验进行验证，研究垂直起降运载火箭返回段复杂干扰作用下低温流体行为特性，获得推进剂形态、贮箱压力、推进剂温度及蒸发量等变化规律，为推进剂管理系统及增补压方案设计提供支撑。     

推进剂管路充填过程的数值模拟

基于一维管路瞬变流理论,利用特征线有限差分法,建立了推进剂供应系统管路充填过程的数学模型.利用坐标变换方法,将管路内液体与时间相关的求解区域变换为求解较方便的固定求解区域,很好地处理了模型的移动边界问题.对由贮箱、隔离阀、管道组成的系统充填过程进行了仿真计算,并将计算结果与传统的采用特征线方法获得的结果进行对比分析,验证了方法的有效性.进一步研究了最大压力峰值的影响因素,结果表明:增多初始气体压力、减小贮箱压力、增多多变指数可有效减小最大压力峰值.      

载人飞船推进剂剩余量在轨直接测量技术

在载人航天工程交会对接任务中,基于对载人飞船推进剂剩余量在轨实时高精度测量需求的背景,采用理论分析和试验验证相结合的方法,研究了剩余量直接在轨测量技术原理、影响测量精度的因素及解决措施等问题。研究表明,在轨推进剂剩余量直接测量系统方案具有易于实现,测量精度高,同时能够实时、直观反映系统中各贮箱推进剂消耗情况等特点。     

液体姿轨控发动机贮箱自动增压仿人智能控制研究

为研究液体姿轨控发动机自动增压方法,在理论分析自动增压系统性能的基础上,搭建了以孔板为控制元件的自动增压实验系统,采用仿人智能控制策略,开展了基于冷流实验的自动增压性能实验,并通过发动机试验验证,实现了发动机贮箱良好的平稳性、快速性和准确性。研究表明,在增压系统结构和增压气体介质给定的情况下,孔板节流面积、孔板出入口压力比、贮箱初始气垫体积决定了自动增压系统性能;根据发动机试验的推进剂流量需求,分别按推进剂体积流量60%,30%,10%的比例选取3个不同节流面积的增压气体孔板组成并联进气孔板组,同时保证进气孔板组可提供的增压气体最大临界体积流量大于推进剂体积流量（推荐二者比值为1~2.5）、孔板出入口增压气体压力比近似等于临界压力比（对氮气约为0.50~0.60）、贮箱初始气垫体积大于贮箱总容积的1/4,并在贮箱上设置流量为增压气体最大临界体积流量105%的排气孔板,在发动机工作过程中按照仿人智能控制策略自动组配孔板,可有效地提高自动增压性能。     

Transient simulation of a differential piston warm gas self-pressurization system for liquid attitude and divert propulsion system

In order to obtain the dynamic characteristics of a differential piston warm gas selfpressurization system for liquid attitude and divert propulsion system, a transient model is developed using the modular modeling method. The system includes the solid start cartridge,pressure-amplified tank with liquid monopropellant, liquid regulator, gas generator, and pipes.The one-dimensional finite-element state-variable model is applied to the pipes and the lumped parameter method is adopted for the other modules. The variations of the system operation parameters over time during the startup, steady-state, and pulsing operational processes are obtained from the transient model, and the characteristics of starting time changing with different system parameters are also analyzed. It is shown that the system startup process can be divided into three distinct processes. The starting time monotonically changes with variations of the liquid regulator parameters, first decreasing and then increasing with the mass change of the solid propellant charge of the start cartridge, initial gas cavity volume of the pressure amplified tank and initial gas cushion of the propellant tank. The starting time can be reduced to less than 1.0 s(0.68–0.75 s for the current system). For meeting the deviation requirements of ±10% of the steady-state propellant tank pressure, the positive deviation requirement is assured by the self-locking pressure and the negative deviation can be assured within an allowable maximum propellant tank volume flowrate(1.6 times the design value for the proposed system) for downstream thrusters for a designed system. The results from the simulation are useful as a guide for further system design and testing.     

微重力条件下卫星贮箱中的推进剂管理问题

微重力条件下贮箱中液体管理的主要问题是控制液体推进剂在箱中的位置,保证向发动机输送不含气泡的推进剂.对用于自旋稳定卫星的梨形贮箱,在透明的有机玻璃缩比模型中用去离子水作试验介质进行落塔试验.在弹星分离以后,卫星自旋以前通过落塔试验确定气液界面的形状,排出液体时夹气现象和发生夹气时剩余液体的体积,试验为贮箱设计提供可靠的依据.在长寿命的卫星上将采用一种大型表面张力贮箱,在微重力条件下将要进行相关的液体流动特性试验,如气液界面的平衡位置,挤出效率,液体流动的阻力损失,流体的晃动等,验证设计的合理性.     

机动过程中飞机通气系统性能计算研究

 燃油箱通气性能计算是通气系统设计过程中的一个重要环节。对某型飞机的通气系统进行了分析,在网络算法和时间微分法的基础上,研究了通气系统供油油箱组和非供油油箱组内空气压力的计算模型,并给出了飞机机动过程中油箱组通气的模拟方法。针对某型飞机油箱通气系统,模拟了某一特定机动过程下,各油箱组内空气压力的变化过程,计算结果用于该机通气系统性能的验证,效果良好。     

基于遗传算法的留轨舱燃料最优分配

对遗传算法在留轨舱燃料分配中的应用进行了尝试。首先分析了留轨舱燃料分配模型,并针对遗传算法的需求进行了有效的转化;进一步分析了燃料分配方案优化的原则和评估参数;接着结合这些评估参数,详细讨论了遗传算法在留轨舱燃料分配中的应用;最后,针对几次留轨任务的飞行姿态模式区间分布,给出了相应的轨道维持宏观策略模拟结果,并对目前的宏观策略进行了评价。     

金属膜片贮箱的膜片变形分析

采用旋转对称壳体的变矩理论, 并将流变韧性引入应力－应变本构关系, 分析了金属膜片贮箱正向排放过程膜片的变形, 数值求解预示了膜片压差和推进剂剩余量。计算结果与试验值相比, 膜片压差和变形过程基本一致, 膜片顶点位移值吻合较好     

固体火箭发动机稳态燃速二维模型参数最优化辨识

1引言发动机参数辨识常用方法是最小二乘法[1],即将参数估计问题转化为多元函数求极值问题,通过迭代选择待估参数值,使燃烧室压强计算值和实验值的残差平方和最小。采用最小二乘法进行参数辨识存在局限性[2],需要通过台劳级数展开式近似模型替代真实数学模型计算残差平方和对待     

姿控推进系统发动机关机的管路瞬变特性

从一维液体瞬变管路方程出发，采用有限差分格式的特征线方法，针对某姿控推进系统发动机真实氧化剂管路的关机瞬变特性进行了数值研究，对系统不同部位的动态特性进行了计算，喷注前的最大瞬变压力达到储箱压力的3倍，得到的结果与试车数据是一致的，对液体发动机管路工程设计具有参考价值，表明该方法可以方便地对包括许多管路，阀门和推力室的复杂系统进行动态特性分析。