《液体火箭推进系统动态特性仿真研究硕士论文.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液体火箭推进系统动态特性仿真研究硕士论文.pdf（87页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、国防科学技术大学研究生院硕十学位论文摘要本文以液体火箭推进系统为研究对象，根据模块化的建模和仿真思想，应用A M E S i m 软件开发了发动机系统各组件的仿真模块，构建出发动机系统的通用仿真测试模型，对不同类型的推进系统进行了动态特性仿真研究。首先将推进系统划分为推进剂供应管路、贮箱增压系统、涡轮泵系统、推力室系统、阀门与自动器等组件，比较系统地建立了包括液体管路、气体管路、贮箱、离心泵、涡轮、转子、喷注器、燃烧室、喷管、冷却夹套、阀门和调节器等基本模块的动力学模型。其次利用A M E S i m 软件的模型库和开发工具，建立了推进系统基本元件的仿真模型，通过对减压阀、燃气发生器、涡轮泵等
2、组件的测试，证明了所建立模型的准确性和有效性。对液氧贮箱增压系统进行方案设计，建立了气瓶贮气式增压和汽化自生增压两种方案的仿真模型，仿真结果满足了预定的压力和流量等指标要求，比较了氦气、氮气和空气的增压效果，结果表明氦气的增压效率最高。设计了可应用于火箭或卫星上的姿轨控发动机系统的方案，搭建了姿轨控发动机的分系统和全系统的仿真测试平台，对整机系统的工作过程进行仿真，结果表明该仿真模型能够较好地反映发动机系统包括减压阀、电磁阀、推力室等各组件的实际工作特性和模拟起动、关机、脉冲响应、水击等现象。最后针对过氧化氢煤油变推力发动机系统，研究了催化床的流阻与床载的关系，利用A M E S e t 开发
3、了头部均流充填喷注元件和催化床元件，建立变推力发动机的仿真模型，对其工作过程开展仿真，得到推进系统在推力调节过程中的动态特性。关键词：推进系统，A M E S i m，动态特性，建模，仿真第i 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文A B S T R A C TA c c o r d i n gt Ot h em e t h o d o l o g yo fm o d u l a r i z a t i o nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n,t h es i m u l a t i o nm o d u l ec o m p o n e n t
4、so ft h el i q u i dr o c k e tp r o p u l s i o ns y s t e ma r ec o n s t r u c t e db a s e do nA M E S i ms o f t w a r e T h e nt h eg e n e r a lm o d e lo fr o c k e te n g i n es y s t e mi ss e tu pb yc o n n e c t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nc o m p o n e n t sa n
5、 dt h et r a n s i e n tp r o c e s s e so fd i f f e r e n tk i n d so fe n g i n es y s t e ma t es i m u l a t e d T h el i q u i dp r o p e l l a n t sp r o p u l s i o ns y s t e mi sd i v i d e di n t ot h es u p p l yp i p e l i n e，t a n kp r e s s u r i z a t i o ns y s t e m，t u r b o p u
6、m ps y s t e m，t h r u s tc h a m b e r，v a l v e sa n da u t oc o m p o n e n t s，e t c C o r r e s p o n d i n g l y，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e da st h eb a s i cm o d u l e so ft h es y s t e ms u c ha sl i q u i dp i p e l i n e s，g a sp i p e l i n e s，t a n
7、 k，c e n t r i f u g a lp u m p，t u r b i n e，r o t o r s，i n j e c t o r s，c o m b u s t i o nc h a m b e ra n dn o z z l e，t h ec o o l i n gj a c k e t，v a l v e sa n dr e g u l a t o r sa n dS Oo n U s i n gt h em o d e ll i b r a r i e sa n dd e v e l o p m e n tt o o lp r o v i d e db yA M E S
8、 i ms o f t w a r e,t h eb a s i cc o m p o n e n t s s i m u l a t i o nm o d e l so ft h ep r o p u l s i o ns y s t e ma r ed e v e l o p e d T h er e l i e fv a l v e，g a sg e n e r a t o r，t u r b o p u m pa n do t h e rc o m p o n e n t sa l et e s t e dt od e m o n s t r a t et h ea c c u r a
9、 c ya n de f f e c t i v e n e s so ft h es i m u l a t i o nm o d e l s O nt h el i q u i do x y g e nt a n kp r e s s u r i z a t i o ns y s t e md e s i g n，ag a s-p r e s s u r i z e ds y s t e mw i mg a sc y l i n d e r sa n dv a p o r i z e ds e l f-p r e s s u r i z a t i o ns y s t e ma r es
10、 i m u l a t e d T h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es c h e d u l e dt om e e tt h ep r e s s u r ea n df l o wr e q u i r e m e n t s C o m p a r i n gt h ep r e s s u r i z a t i o ne f f i c i e n c ya m o n gt h eh e l i u m，n i t r o g e na n da i r，t h er e s u l t ss h o wt h a th e l
11、i u mi st h em o s te f f i c i e n tp r e s s u r i z e dg a s A na t t i t u d ec o n t r o la n do r b i tc o n t r o le n g i n es y s t e mi sd e s i g n e dt Ob eu s e do nr o c k e t sa n ds a t e l l i t e s B a s e do nA M E S i ms o f t w a r e，t h es u b s y s t e m sa n dw h o l es y s t
12、 e mt e s t i n gp l a t f o r m sa r eb u i l ta n dt h ee n t i r ew o r k i n gp r o c e s si ss i m u l a t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o nm o d e lC a nb eb e t t e ra b l et op e r f o r mt h ea c t u a lw o r kf e a t u r e so ft h ee n g i n es y s t e ma n ds i
13、m u l a t et h ee n g i n es t a r t u p，s h u t d o w n,t h ei m p u l s er e s p o n s e，w a t e rh a m m e ra n do t h e rp h e n o m e n o nd u r i n gt h eo p e r a t i n gt i m e F o rh y d r o g e np e r o x i d e k e r o s e n ev a r i a b l et h r u s te n g i n es y s t e m，t h er e l a t
14、i o n s h i pb e t w e e nt h ef l o wr e s i s t a n c ea n dt h em a s sf l o wr a t eo ft h ec a t a l y s tb e di ss t u d i e d T h eh e a df i l l i n gi n j e c t i o nc o m p o n e n t sa n dc a t a l y t i cb e dc o m p o n e n t sa r ed e v e l o p e d、加t l lA M E S e t T h es i m u l a t
15、i o nm o d e lo ft h ew h o l ee n g i n es y s t e mi se s t a b l i s h e da n dt h ew o r k i n gc o u r s es i m u l a t i o ni sc a r d e do u t，w ec a r lb ei n f o r m e do ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cd u r i n gt h ep r o c e s so ft h r u s tr e g u l a t i n g K e yW o r
16、d s：P r o p u l s i o ns y s t e m。A M E S i m，D y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s。M o d e l i n g，S i m u l a t i o n国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图2 1图2 2图2 3图图图图图图图图图3 4图3 5图3 6图3 7图3 8图图图图012图3 1 3图3 1 4图3 1 5图3 1 6图3 1 7图3 1 8图3 1 9图3 2 0图3 2 1图3 2 2图3 2 3图目录一维气体管流的两种有限控制体积1 2增压系统贮箱热力学模型1 3离心泵的示意图1
17、7涡轮的等效元件示意图1 9再生冷却推力室分段单元结构图2 5再生冷却的传热过程示意图2 6摩擦损失系数与雷诺数和相对粗糙度的关系图2 8逆向卸荷式减压阀的工作原理图2 9利用M a t l a b S i m u l i n k 建立的流体管路模型3 4利用A M E S i m 建立的流体管路模型3 4推进系统的基本元件模块3 5推进剂的仿真模型3 6管路元件子模型的选择流程图3 7气瓶和贮箱的仿真模型3 7推力室系统元件的仿真模型3 8涡轮泵系统元件的仿真模型3 8简单阀门元件的仿真模型3 9逆向卸荷式减压阀的仿真模型4 0减压阀出口与阻尼腔的压力4 0减压阀出口气体温度变化4 1减压阀
18、高压腔体积参数改变时的出口压力变化4 2燃气发生器与涡轮的联合测试模型4 2燃气发生器内部压力4 3燃气发生器内部温度4 3进入燃气发生器的推进剂混合比4 3燃气发生器出口质量流量4 3涡轮进出口温度比较4 3涡轮进出口压力比较4 3涡轮输出力矩变化4 3涡轮转速变化4 3离心泵的测试模型4 4第页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图3 2 4图3 2 5图3 2 6图4 1图4 2图4 3图4 4图4 5图4 6图4 7图4 8图4 9图4 1 0图4 1 l图4 1 2图4 1 3图4 1 4图5 1图5 2图5 3图5 4图5 5图5 6图5 7图5 8图5 9图5 1 0图6 1图6
19、 2图6 3图6 4图6 5图6 6图6 7驱动电机的转速控制曲线4 4离心泵入口和出口压力曲线4 5燃气发生器循环发动机系统简化模型示意图4 5液氧液氢发动机贮箱增压输送系统方案示意图4 8气瓶贮气增压的仿真模型。4 9汽化自生增压的仿真模型5 0贮箱的出口推进剂流量51贮箱内气枕温度变化5l贮箱内气枕压力5l贮箱内气枕体积变化5 2气瓶内气体的压力和温度变化5 2泵前压力变化(表压)5 2贮箱的出口推进剂流量5 3贮箱内气枕温度变化5 3贮箱内气枕压力5 4贮箱内气枕体积5 4泵前压力变化(表压)5 4空间姿轨控发动机系统原理图5 6姿控电磁阀的示意图5 7轨控电磁阀的原理图5 8姿轨控发
20、动机全系统仿真模型5 9减压阀输出压力曲线6 0姿控发动机脉冲推力曲线6 0轨控发动机输出推力曲线6 1轨控电磁阀的推进剂阀口压力曲线6 1姿控电磁阀阀芯位移曲线6 1轨控电磁阀工作电流响应曲线6 2过氧化氢煤油变推力发动机系统示意图“典型的银网催化剂床6 5过氧化氢煤油变推力发动机系统的仿真模型6 8燃料调节阀开度与流量流阻关系6 9氧化剂调节阀开度与流量流阻关系6 9燃料与氧化剂调节阀开度曲线6 9设计推力与实际仿真推力比较图7 0第V 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图6 8图6 9图6 1 0图6 1 l图6 1 2图6 1 3图6 1 4图6 1 5图6 1 6图6 1 7图6
21、 1 9图6 1 8图6 2 0图6 2 1图6 2 2图6 2 3图6 2 4图6 2 5推力室室压变化7 0输出推力与推力室室压的关系7 1推力室室压与总质量流量关系变化7 1氧化剂流量与调节阀开度关系。7 l燃料流量与调节阀开度关系7 l输出推力与质量流量关系7 l推力室质量流量变化7 l催化床的流阻变化7 2过氧化氢调节阀进出口压力变化7 2过氧化氢主阀进出口压力变化7 2过氧化氢冷却套进出口压力变化7 2过氧化氢喷注器进出口压力变化7 2过氧化氢节流圈进出口压力变化7 2过氧化氢冷却夹套内部冷却剂温度变化7 3过氧化氢冷却夹套槽壁温度变化7 3过氧化氢冷却夹套内部冷却剂速度变化7 3
22、过氧化氢催化床入口与出口温度7 4过氧化氢催化床的床载变化7 4第V I 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文表目录表4 1 贮箱控制压力表5 0表6 1 设计推力随时间变化列表6 8第V 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：速体盘篮撞进鍪统边查挂性笾墓珏究学位论文作者签名：鱼塑毡垒日期：
23、2 口谚年，月，苫日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：邃签盘篮推进丕统邈奎挂性笾墓珏究日期：加D g 年1 1 月玷日日期：c 阆年，1 月z 彦日国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第一章绪论1 1 课题研究的背景及意义液体火箭推进系统作为目前运载火箭和航天器的主要动力装置，是由若干部、组
24、件按照一定方式有机构成的复杂工程系统，其工作状态直接决定推进系统的性能和可靠性，因此对推进系统的工作特性进行研究有重要意义。通常将推进系统视为一个经历动态过程的动力学系统，该系统由一系列相互联系的动态环节组成，其中基本的动态环节包括流体管路、气液容腔、控制阀门、推力室、燃气发生器、涡轮泵组件等，这些环节通过空间和时间的有序连接对推进系统诸参数进行动态的正向或反向的传递回馈作用，在系统层面上表现为推进系统的起动、转级、调节、关机、故障等非稳态过程。所谓的动态特性就是指非稳态工况下推进系统诸参数间的相互关系，而研究推进系统的动态特性的主要内容就是确定非稳态过程中推进系统各组件的行为和相互联系以及整
25、个系统的行为特性。在现代液体火箭推进系统的研制过程中采取的是工程试验和数学仿真结合的方法。传统的试验方法需要建立整套试验系统，物理系统的结构和参数改变比较困难，试验周期较长，而且对试验的设备和环境的要求不断提高，成本也越来越高。数学仿真的方法则采用数学模型去近似刻画实际系统，将系统的主要特征或输入、输出关系抽象成数学关系式来研究。将两种方法结合起来利用少量的试验并配合数理统计模型演练进行研究分析，可以极大缩短推进系统的研制周期并降低研制成本。采用数学建模和仿真的优势主要体现在三个方面：一是在技术方案论证阶段能够在有限时间内对多个构型设计方案进行可行性论证；二是在试验之前能够获得特定工作点下的起
26、动关机等瞬态过程的仿真结果，为开展试验提供指导，避免不必要的试验开支，降低了研发费用；三是有助于研制人员更好地了解推进系统的工作特性和对系统的性能进行进一步优化。利用推进系统的部、组件工作过程中简化的物理模型，将这些过程的内在特性利用足够精确的数学关系形式(偏微分方程、常微分方程、代数方程)来描述，而各部、组件的数学模型的总汇则构成了推进系统的数学模型。对某一特定的推进系统，根据动态特性分析的具体问题、目的和描述精度可以建立详尽程度不同的数学模型，只要数学模型所能够描述的过程和结果能够与实际物理系统的工作特性相接近，即可认为该数学模型是可以接受的。推进系统的动态数学模型可分为线性模型和非线性模
27、型【l】。线性动态模型采用第l 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文线性化的微分方程和代数方程描述在某一稳定工况附近动力学参数的变化，只适用于相对稳态工况偏差很小的情况。实际推进系统的起动、调节、关机等非稳态工况，系统参数在较大的范围内发生变化，而且实质上推进系统的部、组件的动态特性多为非线性特性，因此推进系统的动态特性的研究必须在非线性的条件下采用非线性的微分方程和代数方程进行描述。推进系统的结构形式复杂多样，但都是由有限个典型的部、组件组成，在推进剂和燃气流动过程中遵守质量守恒、能量守恒和动量守恒定律，其状态参数满足热力特性函数关系。因此，可以根据基本的部、组件的特性建立仿真模块，按照一
28、定规律和方式将各个仿真模块进行组合，构成不同类型的推进系统，对于不同结构形式的同类部、组件，可以采用同一模块的方程，很容易就解决了不同构型下的推进系统的建模和仿真问题，提高了仿真的通用性和灵活性，这就是模块化的建模和仿真的基本思想。利用模块化建模和仿真方法开发的通用仿真软件可以对不同结构类型的推进系统的动态特性进行仿真，研究推进系统及其分系统在起动、调节、关机过程中各控制阀门的控制时序和发动机主要状态参数如推力、燃烧室压强、推进剂流量、涡轮泵转速的变化及与其它参数和扰动的相互关系，分析调节过程的可靠性、稳定性及异常，对系统潜在的故障特性进行预测，对发动机系统的结构和参数进行改进和优化等。推进系
29、统是复杂的机械电磁气液动力学系统，随着对推进系统研究的扩展和深入，仿真的速度、精度和细节方面提出了更高要求。独立编制新的仿真软件是一项复杂繁琐的工作，工作量大，研制周期长，以致于研制者往往关注于软件本身的开发而不是研究对象即发动机系统的建模。工程系统高级建模和仿真平台A M E S i m 是广泛应用于机电、液压、气动等领域的商业化工程软件，采用基于物理模型的图形化建模方式，具有丰富的通用标准元件库，经过优化的智能求解算法，保证了快捷的运算速度和准确可靠的运算结果，软件所提供的二次开发功能，为扩展软件的应用领域提供了现实可能【2 J。借助A M E S i m 开发的推进系统仿真软件，具有物理
30、直观性强、开发简单、修改方便、可扩展性强、运算速度快等诸多优点，尤其是所开发的仿真模型能够最大限度地接近真实的物理模型，这一点是其它的发动机系统仿真软件所不能比拟的。在本论文中将利用A M E S i m 软件对液体火箭推进系统的动态特性进行仿真和分析研究。1 2 国内外研究工作综述国内外对推进系统的动态特性建模和仿真进行了大量研究，主要集中在以下几个方面：第2 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文1 1 推进系统及部、组件的动力学模型的研究；2)系统动力学模型的数值计算方法研究；3)推进系统动态特性的通用仿真软件开发和仿真分析。1 2 1 推进系统的动力学模型研究1 流体管路动力学模型液体
31、火箭推进系统是用液路、气路将各部、组件连接起来的流体网络系统，流体管路具有直径小、流量大、压力高的特点，管流的主要影响因素包括可压缩性、惯性和粘性。研究流体管路特性的数学模型主要有两种：集中参数模型和分布参数模型。在低频(不小于5 0 H z)范围内，液体的管路模型可以忽略流体的压缩性，只考虑流阻和流感，气体管路的模型可以忽略流体的惯性，只考虑流阻和流容。流体管路的流感、流容和流阻作为集中参数处理。在中高频范围内，流体管路应采用分布参数模型【3 l，考虑管路分布参数特性的模型有流体网络分析模型和有限差分数值计算模型【4 1。流体网络分析模型将管路分段后的流容方程、流感方程和局部阻力方程类比为流
32、容、流感和流阻元件，利用有限分割的流阻、流容、流感元件构成类似于电路的模拟网络。在低频考虑准稳态摩擦情形，在中高频考虑频率相关摩擦情形，求得流体管路瞬变过程的复频域解。R u b i n t 5,6 1 利用该方法研究了推进剂供应系统与结构系统相互作用引发的纵向耦合振动(P O C K)振动)问题。杨本濂【7】将分段管路等效为类似电容和电感的四端元件，构成液体管路网络并计算了管路系统的频率响应特性。有限差分数值计算模型则是应用特征线方法，通过有限差分离散化，将描述管路流动的(拟)双曲偏微分方程转化为一组沿(拟)特征线上的常微分方程，求得管路瞬变的时域解。早在2 0 世纪6 0 年代，W o o
33、 d s 8】利用特征线方法分析了液体推进剂供应管路的波动过程。1 9 6 8 年，Z i e l k e 9】将频率相关摩擦模型经频域变换到时域，得到了比较精确的耗散模型，T r i k h a 1 0 1(1 9 7 5)、香川利治1 1 l】(1 9 8 3)将模型进行改进，提高了计算的精度和速度，至此特征线方法已经比较完善。由于特征线法具有较高的计算精度，运算稳定性较好，采用递推计算，易于编程，因此，特征线法在流体管路的时域分析中得到了广泛应用。E s c h w e i l e r【1 2】、T h o m p s o n 1 3】、M a r k o w s k y 1 4 1、R
34、 u t h 15 1、S a B l l i c k I l 6】等将特征线方法应用于推进剂供应管路，研究了液体火箭发动机的瞬变工作过程。在国内，王克昌【1 7】、王珏【1 酊、沈赤兵1 1 9 J 等在研究推进系统流体管路瞬变过程中也应用了特征线方法。推进系统是同时包括液路、气路和容腔的复杂管网系统，特征线方法在时间第3 页国防科学技术大学研究生院硕十学位论文步长协调上比较困难，非线性迭代解算收敛较慢，而且边界条件的处理比较复杂。总之，采用特征线法对管路与系统中其它元件的耦合处理比较困难，不适合复杂管网系统的模块化建模与仿真【4 J。因此，又发展了分段集中参数有限单元法。分段集中参数有限单
35、元法将描述管流的偏微分动力学方程通过有限分段离散化为常微分方程组进行求解，由于单元分割灵活，边界处理简单，可以方便地连接集中参数元件，而且常微分方程组计算较容易，适用于流体网络的模块化建模与仿真。B m 1-p H C t t f l X O B l 2 0 1 在液路计算中，将偏微分方程模型化为有限阶数的常微分方程组模型，给出了相应的有限元模型；M a r g o l i s l 2、S t r a n d 冽则利用有限控制体积及遵循的守恒方程建立了气路的有限控制体积集中参数模型。在此基础上，刘副2 3,2 4 等利用有限单元分割的思想建立了一维弱可压管流的特征有限元模型和一维可压缩管流的有
36、限元状态变量模型。随着计算机技术的发展，国内外开发了能够进行液压气动系统仿真的软件，如D S HP l u s、B a t h f p、E a s y5、2 0 一S i m、F l o w m a s t e r、A M E S i m、M a t l a b S i m u l i n k、A D A M S 等。这些软件均提供了多种类型的管路模型，其中A M E S i m 软件中提供的管路模型多达2 0 余种，从集中参数模型到分布参数模型，从简单的波动模型到频率相关摩擦模型，可以根据管路的特征和流体的流动特性选用合适的管路模型。2 燃烧室动力学模型液体火箭发动机燃烧室内发生着复杂的物理
37、和化学反应，准确地描述这一动态过程是非常困难的。目前对燃烧室动态特性的研究主要集中在喷雾燃烧机理、流场计算和燃烧不稳定性方面。就系统研究的层次，主要考虑建立一维燃烧模型，而推进剂从喷入燃烧室到变成燃气，要经过喷射、雾化、蒸发、混合、燃烧反应等一系列复杂的物理化学过程。冯卡门在2 0 世纪4 0 年代提出了燃烧时滞的概念，将这一过程用不变的燃烧时滞表示，使问题得到了极大简化。1 9 5 0 年，C r o q o 和S u m m e r f i e l d 利用燃烧时滞的概念经过进一步讨论，奠定了系统分析下燃烧室模型的基础【2 5 1。该模型由于分析简单，得到了普遍应用。虽然在燃烧不稳定性研究
38、中，燃烧时滞理论存在较大局限性，但是目前还没有更为简单可靠的替代模型。就系统层级而言，燃烧室的模型一直进展不大，仿真中多采用反映燃烧室平均效应的零维燃烧时滞模型。刘副2 6】提出了燃烧室的分区模型，将燃烧室分为不变时滞的集中参数反应区和一维流动区。程谋森【27 J 将推力室划分为喷注区、燃烧区和流动区三个彼此临接耦合的区域，分别建立其动态方程。喷注区包括头部集液腔和喷嘴流道，考虑结构传热和流感、流容；燃烧区只考虑燃烧反应和燃气与蒸汽混合过程，不考虑流动；流动区不考虑燃烧及其它离解与复合反应，建立了比较细致的燃烧室点火过程动态模型。第4 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文3 涡轮泵动力学模型
39、涡轮泵是泵压式液体火箭推进系统的关键组件，推进剂在流道内为复杂的三维湍流运动，叶轮的旋转和表面曲率效应会引起流动的分离、二次流和尾迹流等。对于涡轮泵流场的描述应以三维的N S 方程作为统一的出发方程，采用C F D 方法进行求解，计算极为复杂，而且三维流动计算理论还在不断改进之中，因此对涡轮泵系统的设计和动态特性分析，仍依赖大量的试验数据和丰富的经验。K a l n i n l 2 s 通过涡轮泵的起动实验，评估了泵质量流量变化率和转子加速度对扬程和转矩的影响，拟合了离心泵入口气蚀区体积对离心泵扬程影响的经验公式。K a l n i n 指出：转子加速度对涡轮效率影响较小，可按准静态处理；涡轮
40、出口气腔容积对涡轮的低频动态特性有较大影响；在模型分析中，涡轮可以作为I R C 气动流路描述，可以较好地模拟涡轮的动态特性。B r e n n e n l 2 9 3 2 l 对离心泵的气蚀问题进行了大量的理论和实验研究。根据泵的结构参数和工况参数来预示泵的气蚀特性和对泵性能的影响仍然是研究的难点问题。目前，对涡轮泵进行设计分析和性能预估中，离心泵的模型多采用稳态关系式【1 6 3 3 3 5 1，部分考虑了泵转速和质量流量变化率对泵扬程和转矩的影响，涡轮的模型则采用稳态关系式。这是因为涡轮泵的动态模型在应用上存在困难，而在低频范围内，涡轮泵的稳态关系式已经有了较好的精度。刘昆1 4 J 在
41、涡轮泵的出口、入口分割有限控制体积，建立了容易与分布参数流体管路有限元状态变量模型相连接的涡轮泵动力学模型，并提出了一种计算低温推进剂液体火箭发动机泵出口推进剂温度、密度的新方法。4 自动器组件动力学模型在液体火箭推进系统中，自动器组件是指用以控制工质流动(方向、压强、流速或流量)的装置，用来保障发动机起动、调节、关机或其它过程的顺利进行，主要包括阀门、节流阀、减压阀、调节器等。自动器的功能是供给或切断推进剂组元流量，改变流路的压降，维持其出口给定的压力值，保证规定的推进剂流量或按一定的规律改变推进剂流量和控制操纵气体的流动等【3 6 1。自动器工作的操作能量可以是压缩气体、电磁力、化学能、弹
42、簧力等。通常，在建立阀门和调节器的动态模型时需要考虑附着在运动部件上的流体质量、流体与壁面摩擦造成的压力损失，流体作用在运动部件上的流体动力等因素。描述阀门及其调节器非稳态工况的基本方程包括：工质的连续性方程，运动方程以及作用在执行机构上的力平衡方程。由于推进系统上采用的阀门和调节器种类繁多，结构差异很大，难以用统一的数学模型描述。而围绕某一特定阀门和调节器所建立的动态模型随着结构的复杂化，增大了求解难度。在系统层次的分析中，为了减轻工作量，一种处理方法第5 页国防科学技术大学研究生院硕+学位论文是将其视为变截面的孔板阻力元件，用准稳态的关系式来描述上下游压力和质量流量的关系，但是这种处理势必
43、会损失掉阀门和调节器内部细节的动态变化信息。针对存在的上述问题，A M E S i m 软件在元件设计中引入了基本元素的概念，即从物理模型中提取出构成工程系统的最小结构单元，使得用户可以使用这些结构单元建立尽可能反映出工程系统和零部件功能的复杂模型。为此，A M E S i m 提供了液压、气动、电磁等元件设计库，根据自动器组件的实际物理模型，从设计库中选取相应的元件模块，按照其结构布局进行有机组合，所构成的仿真模型尽可能的接近实际物理模型，能够提供反映自动器组件动态特性的详细信息，还能进一步地进行时域分析、频域分析和模态分析。1 2 2 推进系统动力学模型的数值计算方法对推进系统动力学模型的
44、解算应同时兼顾计算过程的稳定性、计算结果的精度以及计算速度。研究表明，液体火箭推进系统的数学模型由一组非线性微分方程和代数方程组成。在求解方程组之前，应给定问题的初始条件，并确定边界条件。通常，在低频范围内，可借助分布参数或集中参数模型方程组来求解。集中参数模型的解算为常微分方程计算问题，分布参数模型的解算常采用差分方法按常微分方程问题处理。从数学角度上看，描述推进系统的动力学模型属于刚性方程或病态方程(S t i f fe q u e t i o n s)【，其物理实质在于推进系统存在容积相差悬殊的容腔，长度和直径不同的管路以及特征时间差异很大的部件，造成了方程组特征根极度分散【3。此外，推
45、进系统的非稳态工况还存在明显的非线性特征，如自动器组件的开启和关闭等。由此带来的不连续性问题使得模型的数值求解更加困难。在刚性系统中，若采用数值算法不当，会引起计算结果单调或波动的无限增大直至溢出，而积分步长减到很小时，发散溢出的问题虽然解决，但是大大增加了仿真的时间开销。传统的仿真算法，如龙格库塔法、线性多步法等都无法调和仿真速度和精度的问题【3 7 1。针对刚性问题，目前尚无单一可行而且绝对稳定的数值方法。工程系统的数学模型实质上是由一系列线性或非线性，连续或离散的微分方程和代数方程组成。仿真软件的一个重要任务就是提供稳定、可靠、高效的解算环境。一般的仿真软件仅提供积分方法的列表，在仿真开
46、始时便要求用户必须选定积分算法，做出正确的选择是比较困难的，而选择错误的方法往往导致仿真的失败或费时过长。尤其是如果方程的特性在仿真中发生变化时，情况会变得更糟糕，因为用户不可能在仿真过程中间中止仿真而采用另一种积分算法。A M E S i m 软件将积分求解器智能化了。仿真开始时，它会检测模型是否存在第6 页国防科学技术大学研究生院硕士学位论文微分代数方程，如果存在，采用改进的D A S S L 积分算法，如果是纯微分方程，则采用改进的L S O D A 积分算法。求解器包括了1 7 种积分算法，当方程为非刚性时，有1 2 种不同的A D A M S 算法，当方程为病态时，提供了5 种不同的
47、G E A R 算法，而D A S S L 和L S O D A 积分算法的结构采用了线性多步长方法1 3 引。此外，A M E S i m的求解器还针对离散方程的情况提供了解决方案。总之，A M E S i m 的智能求解器能根据用户建立模型的特性，自动选择并动态切换积分算法和调整积分步长，内嵌的不连续性处理工具有效地解决了间断点的问题，以上措施都带来了系统仿真速度和精度的明显提升。1 2 3 推进系统通用仿真及动态特性分析液体火箭推进系统的类型多样，从简单的挤压式发动机到姿轨控发动机系统再到复杂的低温推进剂分级燃烧循环发动机系统，构成发动机的典型部、组件基本相同，包括贮箱、管路、阀门、容腔
48、、涡轮泵、推力室、燃气发生器(或补燃室)、喷注器等，这些模块的数学模型都有一定的通用性，依据模块化建模和仿真的思想，可开发出对推进系统进行动态特性分析的通用仿真软件。软件会提供基本元件的模型库，利用这些元件组装成推进系统的仿真模型，即可开展动态特性的仿真。目前国内外的专家学者已经开发出多种推进系统通用仿真系统。在美国，R U T H 1 5】(1 9 9 0)开发了液体火箭瞬态仿真程序L R T C，应用于T i t a n运载火箭推进系统，仿真结果与飞行实验数据相符合。N g u g e n 和M a r t i n e z(1 9 9 3)在文献 3 9 1 中介绍了R o c k w e
49、 l l 公司R o c k e t d y n e 分部开发的通用发动机设计软件。该软件由三大部分组成：S S O D O(额定工况稳态分析与优化)、S S O D(稳态调整计算分析)和T R A N S(瞬变过程分析)。该软件从1 9 6 8 年开始研制，到1 9 9 2 年，历经7次较大的改进，其中瞬变分析部分是在1 9 9 1 年研制的，软件采用F O R T R A N 7 7 语言编制，其对S S M E 起动瞬变过程的分析结果与地面试验结果定性一致。P r a t t&W h i t n e y 公司研制了火箭发动机瞬变仿真软件系统R O C E T S(R o c k e tE
50、 n g i n eT r a n s i e n tS i m u l a t i o n)3 3 4 0-4 3 1。仿真系统建立了预燃室、主燃烧室、喷注器、转子系统、考虑流体惯性的管道、流体混合器、流体分配器、集总参数体积等八类状态导数元件模块，以及泵、涡轮、喷管、只考虑压力损失的不可压流体管道、只考虑孔板阻力损失的可压缩气体管道五类非状态导数元件模块，所有的元件模型都是基于集中参数描述或准稳态关系描述韵，此外还建立了元件模型辅助求解的二十一个子程序模块。R O C E T S 基于F O R T R A N 7 7 语言开发，提供了灵活、模块化以及强大的系统建模能力。该软件可进行推进系