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针栓式变推力火箭发动机技术现状与发展探索

世界科技研究与发展 2008年第5期30卷 609-612页

作者：岳春国李进贤冯喜平唐金兰西北工业大学燃烧流动和热结构国家级重点实验室西安710072

随着人类探索太空活动的逐年增加,发展变推力推进技术的重要性愈发明显。本文综述了使用针栓式喷注器的变推力液体火箭发动机国内外的发展现状与趋势,分析了发展针栓式变推力液体火箭发动机亟需解决的关键技术,最后提出适合我国国情的... 详细信息

随着人类探索太空活动的逐年增加,发展变推力推进技术的重要性愈发明显。本文综述了使用针栓式喷注器的变推力液体火箭发动机国内外的发展现状与趋势,分析了发展针栓式变推力液体火箭发动机亟需解决的关键技术,最后提出适合我国国情的变推力液体火箭发动机技术的发展设想。

关键词：变推力火箭发动机针拴式喷注器现状建议

基于变推力液体火箭发动机的航天器快速机动问题研究

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基于变推力液体火箭发动机的航天器快速机动问题研究

作者：李悦国防科学技术大学

学位级别：硕士

随着航天技术的不断进步,特别是军事航天活动的迅猛发展,对于能进行空间快速机动的航天器的需求日益增强,特别是伴飞监视、接近干扰、交会对接、空间拦截和在轨捕获等典型的空间安全问题,要求航天器的推力能够按照需求快速、灵活地变化... 详细信息

随着航天技术的不断进步,特别是军事航天活动的迅猛发展,对于能进行空间快速机动的航天器的需求日益增强,特别是伴飞监视、接近干扰、交会对接、空间拦截和在轨捕获等典型的空间安全问题,要求航天器的推力能够按照需求快速、灵活地变化。但是,目前应用于航天器轨道机动的变推力推进系统尚不成熟,所以常见的做法是将多个常推力推进系统进行组合来实现推力的简单调节,也正是由于这一限制,使得大范围、高精度、低能耗的航天器轨道快速机动的目标很难实现。本文系统研究了将推力连续可变的变推力火箭发动机用于航天器空间快速机动的可行性及其方案。论文首先阐述了变推力火箭发动机的工作原理、组成与控制,研究了推力调节途径和可采用的技术手段,并对它在航天领域的应用进行了分析。在此基础上对航天器轨道机动问题建立了变推力条件下的动力学模型,并依据经典的李亚普诺夫稳定控制法建立了控制律,建立了该最优控制问题的优化模型,然后把这个动态优化问题转化为静态优化问题,对于两种求解轨迹优化问题的优化方法进行对比分析,根据分析结果选择多方法协作优化方法对变推力条件下的轨道机动问题进行求解。在此基础上,论文对二维和三维轨道快速机动问题中的多种情况进行了仿真计算与数据分析,定量研究了快速机动航天器对连续可调推力的需求,并对变推力火箭发动机在航天器中的应用进行了探讨。分析结果表明:卫星在轨道坐标系三个坐标轴的推力随时间连续变化。这说明:推力连续变化是航天器快速机动的本质要求。同时,这也证明了变推力火箭发动机对于航天器快速机动任务有着非常重要的作用。论文从任务需求、技术基础、动力学模型、优化模型和求解方法等方面对变推力条件下的航天器快速机动问题进行了全面系统的研究,将为我国发展变推力火箭发动机以及空间机动平台提供有益的参考。

关键词：变推力火箭发动机航天器快速机动最优控制两点边值问题优化方法数学仿真

变推力液体火箭发动机控制方案设计与控制方法研究

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变推力液体火箭发动机控制方案设计与控制方法研究

作者：文思语国防科技大学

学位级别：硕士

液体火箭发动机是实现航天推进与空间探索的一种重要的动力装置。变推力液体火箭发动机与定推力液体火箭发动机相比能实现航天器推力的可控性,是空间飞行及探测任务的必备推进系统。目前,国内外针对变推力液体火箭发动机增压方案和控制... 详细信息

液体火箭发动机是实现航天推进与空间探索的一种重要的动力装置。变推力液体火箭发动机与定推力液体火箭发动机相比能实现航天器推力的可控性,是空间飞行及探测任务的必备推进系统。目前,国内外针对变推力液体火箭发动机增压方案和控制方案的研究都取得了大量研究成果,但是其增压方案的研究大多都以传统挤压式增压或涡轮泵压式增压为推进剂供应与控制系统的基础方案,对于新型以电机泵为增压方案的相关研究非常少。本文以变推力液体火箭发动机为研究对象,设计了电机泵增压推进剂供应与控制系统方案,开展系统方案设计和系统控制特性的研究。首先,本文提出采用电机泵增压的推进剂供应系统,开展其相关调节元件工作特性的研究。在分析变推力液体火箭发动机的工作特点的基础上,提出采用电机泵增压的推进剂供应系统方案,设计了可行的系统调节部件主要设计参数。利用AMESim软件建立了无刷直流电机驱动离心泵、无刷直流电机驱动齿轮泵、可调汽蚀文氏管、针栓喷注器仿真模型,开展了相关工作特性的研究,为电机泵增压系统设计打下基础。其次,分析了变推力液体火箭发动机控制需求,并基于控制需求设计了四种电机泵增压推进剂供应系统方案。并针对不同系统方案利用AMESim软件和Simulink软件联合仿真,从满足变推力发动机控制需求能力和简化系统结构的角度对系统控制性能进行分析和比较,选出优选方案。研究发现,使用液氧离心泵、煤油齿轮泵及针栓喷注器的推进剂供应系统方案是优选方案。再次,论文针对优选的电机泵增压推进剂供应与控制系统方案开展了进一步控制特性研究。充分掌握系统不同部件工作原理和工作特性的基础上,利用传统的PID控制器,针对不同控制量设计相应控制回路,通过仿真实验研究获得了系统在不同控制方案下的控制特性,可根据发动机系统控制实际需求,选择不同控制回路。最后,为了进一步提高控制系统的控制性能,针对电机泵增压发动机控制系统的特点和控制需求,设计了神经网络PID控制方案,通过神经网络算法实现了多输入多输出的控制需求及PID参数的整定。仿真结果证明神经网络PID控制方法保持了PID控制器结构简单、鲁棒性强等优点,又进一步提高了控制系统的灵活性和适应性,提高了控制精度。

关键词：变推力火箭发动机电机泵增压系统方案方案设计 PID控制神经网络控制

一种大范围变推力液体火箭发动机控制器的设计及实现

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空军工程大学学报（自然科学版） 2004年第6期5卷 14-17页

作者：李红增卢京潮王志刚屈耀红西北工业大学陕西西安710072

提出一种大范围变推力液体火箭发动机的数字控制方案。首先设计了基于高低压转换方法的电磁阀加速驱动电路,并将μCOS-Ⅱ嵌入式操作系统移植到80C196KC单片机上;其次通过调参加死区补偿的控制方法,实现了发动机推力的大范围调节。半物... 详细信息

提出一种大范围变推力液体火箭发动机的数字控制方案。首先设计了基于高低压转换方法的电磁阀加速驱动电路,并将μCOS-Ⅱ嵌入式操作系统移植到80C196KC单片机上;其次通过调参加死区补偿的控制方法,实现了发动机推力的大范围调节。半物理仿真结果表明,所设计系统的调节时间小于60ms,稳态误差不大于5%,能够满足系统的控制要求。

关键词：变推力火箭发动机嵌入式操作系统控制器设计 PWM

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针栓式喷注器锥形液膜破碎特性试验

航空动力学报 2016年第12期31卷 3004-3009页

作者：方昕昕沈赤兵张新桥国防科学技术大学航天科学与工程学院长沙410073 国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室长沙410073

采用高速摄影获得了针栓式喷注器在不同喷注压降和结构参数下的表面波破碎图像,测量了锥形液膜的破碎长度和破碎时间,研究了变工况时液膜破碎长度和破碎时间的变化规律.试验结果表明:在喷注压降不变的条件下,针栓式喷注器能够实现流量... 详细信息

采用高速摄影获得了针栓式喷注器在不同喷注压降和结构参数下的表面波破碎图像,测量了锥形液膜的破碎长度和破碎时间,研究了变工况时液膜破碎长度和破碎时间的变化规律.试验结果表明:在喷注压降不变的条件下,针栓式喷注器能够实现流量的线性调节.针栓式喷注器设计时,在合理的推进剂动量比范围内,狭缝宽度应尽量取小.液膜在低工况时破碎得更快.液膜破碎长度和破碎时间均随喷注压降的增加而减小.

关键词：变推力火箭发动机针栓式喷注器锥形液膜破碎长度破碎时间

控制流参数对涡流阀变推力固体发动机性能的影响

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推进技术 2009年第5期30卷 571-575页

作者：魏祥庚何国强李江陈剑余晓京西北工业大学燃烧流动和热结构国家级重点实验室陕西西安710072

以涡流阀变推力发动机为研究对象,利用涡流阀变推力发动机实验系统以及三维数值模拟,研究了控制流压强、流量、速度以及温度对推力调节性能的影响。研究结果表明:在其他条件一样的情况下,提高控制流的温度能够提高发动机的推力调节比;... 详细信息

以涡流阀变推力发动机为研究对象,利用涡流阀变推力发动机实验系统以及三维数值模拟,研究了控制流压强、流量、速度以及温度对推力调节性能的影响。研究结果表明:在其他条件一样的情况下,提高控制流的温度能够提高发动机的推力调节比;提高控制流的流量会增加发动机的推力调节比;提高控制流的速度有利于提高发动机的推力调节比。

关键词：固体推进剂火箭发动机变推力火箭发动机推力调节+ 涡流阀+ 数值仿真

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一种月球软着陆优化方法

上海航天 2008年第4期25卷 31-34页

作者：林胜勇北京电子工程总体研究所北京100854

提出了一种用变推力火箭发动机实现月球定点软着陆轨道的优化方法。在软着陆加速度线性变化条件下,给出了位置速度状态参数以及推力加速度、推力和秒流量的计算模型,通过调整总飞行时间和着陆点位置实现了燃料消耗最小的优化。该法简单... 详细信息

提出了一种用变推力火箭发动机实现月球定点软着陆轨道的优化方法。在软着陆加速度线性变化条件下,给出了位置速度状态参数以及推力加速度、推力和秒流量的计算模型,通过调整总飞行时间和着陆点位置实现了燃料消耗最小的优化。该法简单,易于工程化,适于用变推力火箭发动机在月球上实现定点软着陆的任务。算例证明了此法的可行性和有效性。

关键词：月球探测软着陆轨道变推力火箭发动机优化

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液氧/甲烷针栓式喷注器雾化及燃烧特性研究

液氧/甲烷针栓式喷注器雾化及燃烧特性研究

作者：方昕昕国防科学技术大学

学位级别：硕士

液氧/甲烷针栓式变推力发动机具有结构简单、无毒、高比冲、燃烧稳定和推力调节范围大等优点,具有广阔的应用前景。本文通过理论分析、试验研究以及数值仿真等方法研究了针栓式喷注器锥形液膜破碎过程、雾化特性以及燃烧性能,并且分析... 详细信息

液氧/甲烷针栓式变推力发动机具有结构简单、无毒、高比冲、燃烧稳定和推力调节范围大等优点,具有广阔的应用前景。本文通过理论分析、试验研究以及数值仿真等方法研究了针栓式喷注器锥形液膜破碎过程、雾化特性以及燃烧性能,并且分析了喷注器结构参数对其影响规律,为变推力发动机的设计提供参考。首先,分析得到了针栓式喷注器设计的基本准则。通过理论分析,得到了不同推进剂喷注通道形式下推进剂的流量调节特性,表明理论上针栓式喷注器能够实现任意形式的推进剂流量变化曲线。其次,研究了针栓式喷注器锥形液膜一次破碎过程。分析了针栓式喷注器与离心式喷嘴锥形液膜的异同。建立了无旋锥形液膜线性不稳定理论模型,求解色散方程,分析了喷注压降等参数对锥形液膜破碎过程的影响规律,并与试验结果对比,得到了C参数经验关系式、(7)(8)0lnbηη值以及破碎长度、破碎时间和扰动波波长随喷注器结构参数变化规律。结果表明无旋锥形液膜破碎模型可用于针栓式喷注器液膜破碎过程定性分析。然后,使用马尔文测量仪和高速摄影等试验手段,研究了针栓式喷注器稳态喷雾特性。分析了SMD、液滴分布均匀度指数以及雾化锥角等参数随气液流量比比和狭缝宽度的变化规律。试验表明,由于气动力的作用,当气液流量比大于0.206时,雾化边界可分为两段:上面段为收缩段,下面段为等直径段。最后,对针栓式发动机进行数值仿真,研究了喷注器以及燃烧室的主要结构参数对发动机流场结构及燃烧性能的影响规律。针栓式发动机中存在两个回流区,提高了发动机燃烧稳定性及燃烧效率。燃烧室壁面前半段附近的燃气温度较低,降低了发动机的冷却需求。此外,环缝形式的针栓式发动机燃烧室内会形成反应物“封闭区”,对发动机燃烧效率的提高影响很大。为提高发动机性能,应将针栓式喷注器内侧燃料喷注通道改进成喷孔形式。

关键词：变推力火箭发动机针栓式喷注器液氧甲烷雾化燃烧锥形液膜

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线性可调汽蚀文氏管设计与数值仿真研究

空间控制技术与应用 2013年第6期39卷 12-16,22页

作者：唐飞李永耿永兵李文林长杰北京控制工程研究所北京100190

可调汽蚀文氏管是变推力火箭发动机实现推进剂流量和推力大范围调节的关键部件.在设计线性可调汽蚀文氏管模型的基础上,采用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型,进行了相关的数值分析.计算结果表明:设计的线性可调汽蚀文氏管可以... 详细信息

可调汽蚀文氏管是变推力火箭发动机实现推进剂流量和推力大范围调节的关键部件.在设计线性可调汽蚀文氏管模型的基础上,采用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型,进行了相关的数值分析.计算结果表明:设计的线性可调汽蚀文氏管可以实现流量的大范围调节,并且流量与调节锥行程呈线性变化关系,满足设计要求.

关键词：可调汽蚀文氏管变推力火箭发动机混合比调节推进剂流量调节