A Hybrid Optimization Approach for SRM FINOCYL Grain Design

This article presents a method to design and optimize 3D FINOCYL grain （FCG） configuration for solid rocket motors （SRMs）. The design process of FCG configuration involves mathematical modeling of the geometry and parametric evaluation of various independent geometric variables that define the complex configuration. Virtually infinite combinations of these variables will satisfy the requirements of mass of propellant, thrust, and burning time in addition to satisfying basic needs for volumetric loading fraction and web fraction. In order to ensure the acquisition of the best possible design to be acquired, a sound approach of design and optimization is essentially demanded. To meet this need, a method is introduced to acquire the finest possible performance. A series of computations are carried out to formulate the grain geometry in terms of various combinations of key shapes inclusive of ellipsoid, cone, cylinder, sphere, torus, and inclined plane. A hybrid optimization （HO） technique is established by associating genetic algorithm （GA） for global solution convergence with sequential quadratic programming （SQP） for further local convergence of the solution, thus achieving the final optimal design. A comparison of the optimal design results derived from SQP, GA, and HO algorithms is presented. By using HO technique, the parameter of propellant mass is optimized to the minimum value with the required level of thrust staying within the constrained burning time, nozzle and propellant parameters, and a fixed length and outer diameter of grain.     

喷嘴马赫数对涡流管性能影响的实验

设计加工了不同出口马赫数的喷嘴,搭建了涡流管性能测试试验台,对不同马赫数喷嘴涡流管的能量分离性能进行了实验测试,实验结果表明:出口马赫数为0.5到0.8的喷嘴的涡流管具有很好的能量分离效果,但是当马赫数上升到0.9时效果明显变差.当涡流管入口压力在0.4～0.6 MPa之间时,喷嘴出口马赫数为0.8的涡流管具有最好的制冷效应,但当涡流管入口压力继续增加时各喷嘴涡流管的制冷性能差距不大.      

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.      

一种空气流量测量装置对比标定和不确定度评定方法

叙述了小尺寸流量管的校准方法和不确定度评定方法,分析了采用对比标定法校准小尺寸流量管流量系数的原因,并给出了某流量管校准试验结果和不确定度评定结果.结果表明,即使标准节流装置的测量精度不满足标准要求,但只要其不确定度已知,仍可用于其它流量装置的校准,而且可评定被校流量测量装置的不确定度.     

含裂纹药柱老化结构分析

为讨论不同贮存年限的含裂纹固体火箭发动机药柱的稳定性,基于黏弹性断裂力学,采用有限单元法,于药柱星角裂纹尖端处设奇异裂纹元,计算了弹射和点火情况下的J积分,对比了不同形状和不同贮存年限裂纹J积分的变化.结果表明:发动机在弹射工况下,裂纹J积分随贮存年限的增加而减小,裂纹的扩展机会越小;在点火工况下,裂纹J积分随着贮存时间的增加而增大,裂纹的扩展机会越大,裂纹不稳定.      

高强阻尼铝合金的阻尼性能和组织稳定性

采用时效处理实验,研究了快速凝固/粉末冶金工艺制备的X7093/5(Zn-30Al)高强度阻尼铝合金的阻尼性能和组织稳定性.将阻尼铝合金分别在50℃,100℃,120℃保温10?h,50?h,100?h后空冷,采用动态力学热分析仪(DMTA)和透射电镜(TEM)分别测试其阻尼性能和观察微观组织的变化情况.研究结果表明: 阻尼铝合金在时效过程中,组织结构由最初细碎杂乱的晶态结构转变为具有规则晶界的大晶粒结构,晶界对合金阻尼性能的贡献增强.在室温至250℃的温度范围内,合金阻尼值由4×10^-3增至3.0×10^-2.阻尼铝合金在120℃以下、100?h以内的时效处理中,时效温度和时效时间的不同对合金阻尼性能的影响不显著,材料的阻尼性能稳定性良好.     

直线与任意曲线求交算法在晶粒度计算的应用

对于晶粒度测量的计算机化问题,从材料学的角度讨论了其可行性.采用平均直径法对一幅经过处理的晶界图像进行晶粒度计算.基于Freeman码的原理,分析了欧氏空间下与泛欧空间下直线与曲线交点求法的差异性,提出了"伪交点"的概念,在理论上给出了求交的解决方案,同时也从计算机图形学的角度分析了影响计算直线与曲线交点的因素,在算法上也给出了相应的解决方案.最终计算结果和试验结果吻合较好,表明这种方法计算晶粒度快捷有效,可以应用于工程分析.     

新一代星敏感器遮光罩—— 碳纳米管遮光罩技术研究

针对目前星敏感器遮光罩普遍存在的尺寸和质量较大、杂光消除能力受限等问题,从提高吸光涂层吸光率入手,提出碳纳米管遮光罩新概念,研制一套钛合金基底生长碳纳米管涂层的新技术,使得涂层吸光率达到99%以上,并成功制作出可等效替代现有飞行产品遮光罩的碳纳米管遮光罩.通过真空原子氧、紫外辐照、高能粒子辐照、热真空、力学环境等各项空间环境实验,证明其空间环境适用性.与现有星敏感器遮光罩产品的杂光比对试验结果表明,使用碳纳米管遮光罩的星敏感器杂光灰度降低了56%,显示出杂光消除性能的优势.本文创新成果突破了碳纳米管技术在杂光消除领域实际应用的瓶颈技术,对促进星敏感器技术的提高具有重要的工程价值.     

开槽管微波腔中微波场场型优化

我们先前的一项研究工作表明,目前本实验室使用的开槽管微波腔的模式类似为TE111腔模式。对铷原子频标而言,这并不是最佳模式。最近我们对开槽管微波腔结构做了改进,并利用高频结构仿真软件（HFSS）仿真及实验证明,改进后的模式类似为TE011腔模式。这为我们设计出性能更高的铷原子频标物理系统奠定了基础。     

一种缩短碳氢燃料-空气混合物点火延迟的方法

采用激波风洞-激波管组合设备对预混的碳氢燃料——空气混合物的点火与超声速燃烧进行了研究。为缩短碳氢燃料-空气混合物的点火延迟时间，通过激波风洞喷管入口与接触面之间的激波反射对经过雾化与气化的碳氢燃料(汽油)进行预热；此外，由燃烧驱动激波管产生的高温燃气作为引导火焰点燃激波风洞产生的预混与预热的超声速碳氢燃料——空气混合物。采用纹影系统对超声速可燃气流中的火焰传播进行流场显示。实验结果表明，上述方法可将碳氢燃料——空气混合物的点火延迟时间缩短至小于0.2ms，同时还得出了火焰相对于超声速可燃气流的传播速度。