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固体火箭发动机三维装药的逆向设计与形状优化

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航空学报 2024年第11期 203-221页

作者：李文韬何允钦李文博张艺仪梁国柱北京航空航天大学宇航学院清华大学航天航空学院

固体火箭发动机装药逆向设计是指寻求最优的装药形状以匹配给定的内弹道性能曲线，可用于指导新型装药的设计。装药逆向设计正从尺寸优化阶段迈向形状优化与拓扑优化阶段。形状优化问题往往自由度大且高度非线性，这就对燃面退移的计算... 详细信息

固体火箭发动机装药逆向设计是指寻求最优的装药形状以匹配给定的内弹道性能曲线，可用于指导新型装药的设计。装药逆向设计正从尺寸优化阶段迈向形状优化与拓扑优化阶段。形状优化问题往往自由度大且高度非线性，这就对燃面退移的计算效率提出了极高的要求，而现有的椭圆算法难以满足需要。为此有必要开发燃面退移的高效椭圆算法，并将其应用于三维装药的逆向设计。首先，将程函方程线性化，推导出亥姆霍兹方程和泊松方程，形成了一系列求解燃面退移的快速热传导（Fast Heat Conduction,FHC）方法。其中f-FHC方法采用空腔体积分数分布来描述不规则装药，使用LDL分解法求解线性方程组，实现了“一次分解，处处回代”，显著提高了计算效率。然后，系统地分析了三维装药逆向设计的关键问题，包括目标函数的选取、待优化自变量的取值范围、孤立孔洞识别、浇铸工艺性要求等。运用进化神经网络方法开发了装药逆向智能设计（Grain Reverse and Intelligent Design,GRID）系统。计算结果表明，fFHC方法可以将三维装药燃面退移的计算时间缩短至1 s以内。以双推力装药的燃面变化规律或内弹道性能曲线为目标，GRID系统成功设计出含有复杂三维内孔的新型装药。所得装药符合浇铸工艺条件，芯模可采用3D打印工艺制造。所提出的算法和开发的软件系统可以为新型装药的设计提供支撑。

关键词：固体火箭发动机装药逆向设计形状优化拓扑优化燃面退移程函方程进化神经网络

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非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示

北京航空航天大学学报 2022年

作者：李文韬何允钦张艺仪梁国柱北京航空航天大学宇航学院

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立了非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型，提出了一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程的黏滞解，并将燃面退移问题转化为“特殊的稳态热传导问题... 详细信息

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立了非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型，提出了一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程的黏滞解，并将燃面退移问题转化为“特殊的稳态热传导问题”的新方法PEF，实现了对几何形状不规则且燃速分布复杂的三维装药燃面退移的计算。考虑燃烧室压力变化等实际因素，在平衡压力假设下，形成了内弹道性能预示的4种计算模型。完成了二维星型装药、三维翼柱型装药和含金属丝的双推进剂装药的计算。计算结果表明：所提计算方法不仅可以高精度地适应多种推进剂构成的复杂交界面，而且可以直接在商业有限元软件的稳态热传导模块上应用和求解，充分利用商业有限元软件成熟的CAD建模、前处理、后处理及二次开发能力，实现了方法的通用化和实用化。

关键词：固体火箭发动机燃面退移内弹道性能预示有限元法程函方程泊松方程

固体火箭发动机燃面退移阵列超声测试系统设计

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固体火箭发动机燃面退移阵列超声测试系统设计

作者：李伟中北大学

学位级别：硕士

固体火箭发动机因其反应快、准备时间短、推力大、成本低等优势在军民领域得到了广泛应用。有效检测固体火箭发动机在工作过程中推进剂燃面退移的实时变化,可以反映很多燃烧现象和问题,如侵蚀燃烧、不稳定燃烧等,对固体火箭发动机的研... 详细信息

固体火箭发动机因其反应快、准备时间短、推力大、成本低等优势在军民领域得到了广泛应用。有效检测固体火箭发动机在工作过程中推进剂燃面退移的实时变化,可以反映很多燃烧现象和问题,如侵蚀燃烧、不稳定燃烧等,对固体火箭发动机的研制、试验、生产有重要意义。然而,固体火箭发动机的结构为多层粘接结构,厚度较大,材料超声波衰减性强,需要采用低频高压超声进行穿透检测。同时,固体火箭发动机推进剂燃烧过程具有燃面广、变化频率快、持续时间长的特点,为了测试的全面性,提高检测效率,要求超声测试系统具备阵列化、高精度、连续长时间测试的能力。现有的阵列超声测试系统普遍采用高频超声,应用于静态缺陷无损检测,连续测试时间短,无法满足固体火箭发动机热试车过程中推进剂燃面退移的实时测试需求。针对上述问题,本文以ZYNQ SOC为控制核心,开展了固体火箭发动机推进剂燃面退移阵列超声测试系统的设计。首先,研究了超声波在固体火箭发动机中的传播规律,提出了测试系统的相关技术指标并完成系统总体设计方案;其次,分模块设计了双极性高压超声激励模块、多路复用模块、信号接收调理模块、高速差分模数转换模块和传输存储控制模块等系统硬件电路;再次,设计了非阻塞式超声激励驱动、多通道循环复用时序、多通道同步高速采集驱动等FPGA高速时序逻辑电路,以及多核异构高速数据交互链路、千兆以太网传输控制等ARM嵌入式软件程序;最后,开展了固体火箭发动机的静态试验和热试车试验,对系统功能进行验证。试验结果表明,本文设计的阵列超声测试系统能够以6发24收的阵列布局完成对固体火箭发动机热试车过程中推进剂燃面退移的实时测试,采样率10MSps,片内数据链路吞吐率640Mbps,阵列测试重复频率100Hz,实际测试时间不低于40s,具有实时性好、检测效率高的优点。

关键词：固体火箭发动机燃面退移低频超声阵列测试多路复用

单脉冲固体姿态控制发动机内流场与燃面退移耦合数值模拟

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推进技术 2019年第1期40卷 107-114页

作者：周伟谢飞李赛火箭军工程大学动力工程系陕西西安710025

为解决单脉冲固体姿态控制发动机内流场与推进剂燃面退移耦合的问题,给出了耦合方法的理论基础,建立了基于动网格的双向耦合模型。采用面偏移法处理燃面退移过程,利用网格平顺与网格重建技术优化网格,解决网格变形问题;通过松耦合方式... 详细信息

为解决单脉冲固体姿态控制发动机内流场与推进剂燃面退移耦合的问题,给出了耦合方法的理论基础,建立了基于动网格的双向耦合模型。采用面偏移法处理燃面退移过程,利用网格平顺与网格重建技术优化网格,解决网格变形问题;通过松耦合方式进行耦合计算。针对PAC-3增程拦截弹使用的单脉冲固体姿态控制发动机,进行了内流场与推进剂燃面退移耦合数值模拟,得到了该发动机内弹道特性曲线及其它性能参数。结果表明,PAC-3单脉冲固体姿态控制发动机仿真结果与相关实验结果吻合较好,计算得到燃烧室压强最大相对误差为3.96%。面偏移法能够有效追踪推进剂燃面,建立的耦合方法能够对内流场与推进剂燃面退移耦合过程进行准确稳定的模拟,为单脉冲固体姿态控制发动机多物理模型耦合模拟提供了有效的解决方案。

关键词：单脉冲固体姿态控制发动机燃面退移面偏移法耦合数值模拟

考虑燃面退移的固体火箭发动机仿真模型生成技术

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空天防御 2023年第2期6卷 62-68页

作者：任加忍魏然西北工业大学航天学院陕西西安710072

装药、结构、流场域、声场域等多物理场模型是用于固体火箭发动机设计的重要仿真模型。构建大量不同燃面退移距离下的多物理场模型存在人工操作易错、效率低的问题。为快速批量化地获得不同燃面退移距离下固体火箭发动机的多物理场文件... 详细信息

装药、结构、流场域、声场域等多物理场模型是用于固体火箭发动机设计的重要仿真模型。构建大量不同燃面退移距离下的多物理场模型存在人工操作易错、效率低的问题。为快速批量化地获得不同燃面退移距离下固体火箭发动机的多物理场文件,基于Creo软件平台,采用自上而下的建模理念,对固体火箭发动机参数化建模,利用装药的特征造型方法,对燃面退移进行追踪;并对Creo平台进行二次开发,实现用户输入命令即可实现仿真模型的自动再生、导出等功能。利用所提出的仿真模型生成标准流程以及辅助设计应用程序,为火箭发动机设计人员提供了一种高效的建模思路,简化了烦琐的重复性工作,降低了人工操作错误的可能。

关键词：固体火箭发动机燃面退移 Creo软件参数化设计自上而下设计

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基于动网格的装药燃烧的燃面退移仿真

火力与指挥控制 2019年第1期44卷 156-160,165页

作者：苗海玉刘少伟朱柏银空军工程大学防空反导学院西安710051

为了研究某型弹射器燃烧室装药在燃烧过程中的变化特性,以Fluent软件为计算平台,运用加质源项技术和动网格技术,采用UDF编译来实现燃气的质量、动量、能量向燃烧室的注入,在装药燃烧燃面退移的过程中,通过DEFINE_GRID_MOTION宏定义燃面... 详细信息

为了研究某型弹射器燃烧室装药在燃烧过程中的变化特性,以Fluent软件为计算平台,运用加质源项技术和动网格技术,采用UDF编译来实现燃气的质量、动量、能量向燃烧室的注入,在装药燃烧燃面退移的过程中,通过DEFINE_GRID_MOTION宏定义燃面的变化规律,结合k-ε两方程湍流模型对装药的非稳态燃烧过程进行三维数值仿真。计算得出了装药燃面推移图像,分析了燃烧室内的流场状态变化、燃气在燃烧室内的传播规律,并分析了减面燃烧对弹射器燃烧室内压强的影响。研究表明,该方法能够成功地求解装药燃烧的非稳态过程,较好地仿真燃面退移过程,所得结果可以为弹射器燃烧室的性能研究和结构设计提供理论依据。

关键词：装药动网格燃面退移数值仿真

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UG二次开发实现药柱燃面退移自动化

弹箭与制导学报 2012年第4期32卷 152-154页

作者：田小涛刘书杰孟秀琴蔡克刚中国兵器工业第203研究所西安710065

文中提出了一种三维药柱燃面退移计算近似算法,并用UG软件的二次开发功能执行此算法,达到了快速准确的获得药柱肉厚-燃面曲线的目的。UG二次开发通过MFC和UGAPI函数交叉使用实现,MFC制作对话框界面,UGAPI函数执行燃面退移算法。最后以... 详细信息

文中提出了一种三维药柱燃面退移计算近似算法,并用UG软件的二次开发功能执行此算法,达到了快速准确的获得药柱肉厚-燃面曲线的目的。UG二次开发通过MFC和UGAPI函数交叉使用实现,MFC制作对话框界面,UGAPI函数执行燃面退移算法。最后以某型号发动机装药为例,运用此方法和传统方法对比,验证了该方法的正确性和高效性。

关键词： UG/OPENAPI MFC 燃面退移二次开发燃面面积算法

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固液发动机燃面退移控制因素分析

上海航天 2017年第1期34卷 62-66页

作者：何快潘科玮赵瑜上海航天动力技术研究所上海201109

为获得固液发动机固体燃料燃面退移的控制因素和机理,开展了数值仿真和试验研究。建立二维轴对称计算模型,考虑燃料与氧化剂的混合燃烧和流动过程,计算得到了固液发动机工作过程中的温度、压强、速度和组分的分布,以及不同时刻固体燃料... 详细信息

为获得固液发动机固体燃料燃面退移的控制因素和机理,开展了数值仿真和试验研究。建立二维轴对称计算模型,考虑燃料与氧化剂的混合燃烧和流动过程,计算得到了固液发动机工作过程中的温度、压强、速度和组分的分布,以及不同时刻固体燃料的燃面形貌。仿真与试验结果的对比证明了计算方法的有效性。结果表明:固液发动机的燃面呈现显著的非平行退移特征;燃烧室压强对燃面退移不均匀性的影响可忽略;控制燃面退移的主要因素是燃气传向固体燃料表面的热流密度,燃料表面的温度变化是宏观表现。在靠近喷嘴位置,燃面退移的热量传递主要受燃烧反应过程控制,而靠近喷管处燃面退移的热量传递主要受燃气流动过程控制。研究为固液发动机的装药优化设计和高效燃烧组织提供了理论依据。

关键词：固液发动机燃面退移控制因素燃料热解非平行退移热流密度燃烧反应过程燃气流动过程

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星孔装药燃面退移图象显示中的特殊问题

推进技术 1997年第4期18卷 46-50页

作者：陈步学王凌燕吴心平西北工业大学航天工程学院西安710072

介绍了采用双三次均匀B样条曲面法构造星孔装药燃面退移图象中，夹直纹面的曲面；具有脊线曲面的反算拟合；燃面拟合的边界条件及曲面加密网格的求解等特殊问题。

关键词：固体火箭发动机星孔药柱燃面退移计算机仿真