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氢氧燃气发生器低频燃烧稳定性仿真分析

航空动力学报 2024年第8期39卷 145-153页

作者：张亚田原潘亮孔维鹏中国航天科技集团有限公司北京航天动力研究所北京100076 中国航天科技集团有限公司低温液体推进技术实验室北京100076

针对某氢氧火箭发动机燃气发生器热试车参数存在约200~230 Hz较明显脉动的现象,建立了低频燃烧稳定性仿真数学模型,来分析是否发生了燃烧时滞相关的极限循环低频不稳定燃烧。不同燃烧时滞、喷注器压降和燃烧室容积条件下的仿真结果显示... 详细信息

针对某氢氧火箭发动机燃气发生器热试车参数存在约200~230 Hz较明显脉动的现象,建立了低频燃烧稳定性仿真数学模型,来分析是否发生了燃烧时滞相关的极限循环低频不稳定燃烧。不同燃烧时滞、喷注器压降和燃烧室容积条件下的仿真结果显示:由燃烧时滞引起的低频不稳定燃烧频率显著低于试验结果,试验中低频脉动可能是受到了供应管路声学频率的扰动。进一步分析表明:决定燃烧系统稳定性的关键参数是燃烧时滞与燃气停留时间的比值,当该比值大于临界值时系统趋于不稳定,相反系统趋于稳定。基于仿真数据拟合形成了系统固有频率计算的半经验公式,系统固有频率随着燃烧时滞与燃气停留时间之和增大而降低。获取了在不同压降占比下的稳定边界,随着喷注器压降占比的增大,系统由稳定转为不稳定的燃烧时滞与燃气停留时间的临界比值越大。

关键词：液体火箭发动机低频燃烧稳定性燃气发生器固有频率稳定边界

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大推力液氧煤油补燃发动机分级起动仿真分析

航空动力学报 2024年第8期39卷 154-162页

作者：张睿文李斌王丹张晓光中国航天科技集团有限公司西安航天动力研究所西安710100 中国航天科技集团有限公司航天推进技术研究院西安710100

分级起动是提高大推力液氧煤油补燃发动机起动品质和发射可靠性的重要措施。通过系统动力学仿真,分析了发动机分级起动特性。采用Modelica语言开发了通用模块化液体动力系统动态特性仿真模型库(Tulips)。基于模型库,自底向上逐层构建和... 详细信息

分级起动是提高大推力液氧煤油补燃发动机起动品质和发射可靠性的重要措施。通过系统动力学仿真,分析了发动机分级起动特性。采用Modelica语言开发了通用模块化液体动力系统动态特性仿真模型库(Tulips)。基于模型库,自底向上逐层构建和验证了发动机系统仿真模型。仿真结果表明:初级工况设置在推力高于额定值40%时起动品质较好;初级工况越低,进入初级工况的延迟时间越长;初级工况较低时,提前推力室点火和燃料节流阀转级时刻,有利于提高起动品质;涡轮泵转动惯量较大时,进入初级工况更平稳。

关键词：补燃发动机分级起动系统动态仿真模型库初级工况

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火箭发动机增压系统关键换热参数辨识

航空动力学报 2024年第4期39卷 224-233页

作者：张效溥李志敏徐鹏里李春晓王振剑中国航天科技集团有限公司上海宇航系统工程研究所上海201109

针对火箭增压系统设计过程中关键换热参数难以确定的问题,提出1种基于混沌自适应粒子群算法(ACPSO)的增压系统换热参数辨识方法。建立了考虑换热模型的液体火箭增压系统非线性数学模型,通过灵敏度分析筛选出待识别参数,采用含有早熟抑... 详细信息

针对火箭增压系统设计过程中关键换热参数难以确定的问题,提出1种基于混沌自适应粒子群算法(ACPSO)的增压系统换热参数辨识方法。建立了考虑换热模型的液体火箭增压系统非线性数学模型,通过灵敏度分析筛选出待识别参数,采用含有早熟抑制和惯性权重自适应调节策略的粒子群方法对选定参量进行辨识,对引入了权重衰减机制的方均根目标函数进行优化。结果表明:辨识后的仿真曲线与实测曲线具有良好的一致性,氧箱增压电磁阀打开时间仿真值与实测值偏差低于3%,气瓶1次飞行结束温度仿真值与实测值仅相差2.4 K。将辨识结果应用于某相似的新研型号,气瓶设计容积和质量相比绝热假设的设计方案降低了32 L和11.6 kg,有效减少了由设计过度冗余造成的额外试验和设计迭代成本。

关键词：系统工程传热粒子群算法参数辨识火箭增压系统

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数字时代的航天系统工程

机械工程学报 2024年第14期60卷 206-214页

作者：王国庆熊焕侯俊杰中国航天科技集团有限公司北京100048 中国航天科技集团有限公司信息中心北京100048 中国航天系统科学与工程研究院北京100037

航天系统工程方法围绕型号研制总体最优目标,对型号产品研制全过程和涉及的管理要素进行全方位的科学组织管理,是支撑我国航天事业成功的重要法宝。进入数字时代,面对航天强国建设和高质量发展的新要求、新挑战,必需深入研究构建数字时... 详细信息

航天系统工程方法围绕型号研制总体最优目标,对型号产品研制全过程和涉及的管理要素进行全方位的科学组织管理,是支撑我国航天事业成功的重要法宝。进入数字时代,面对航天强国建设和高质量发展的新要求、新挑战,必需深入研究构建数字时代航天系统工程理论方法体系。在对航天系统工程的形成、发展和基本方法论述的基础上,提出数字时代航天系统工程的概念、特征和总体框架,对其转型变革进行系统分析总结。在新一代信息技术的赋能下,航天系统工程将实现以模型取代文档成为技术状态控制和质量管理的重要载体,以高效的在线协同实现研制和管理效率提升,以数据驱动实现精细化管控和科学决策,组织管理趋向于扁平化、融合化、敏捷化和协同化。在组织管理、使能工具、研制模式、质量管理、决策方式、供应链管理等方面将发生深刻变革。以上理论方法体系的提出,结合航天重大任务探索实践,为型号工程管理水平和科研生产能力提升提供理论方法支撑。

关键词：数字时代航天系统工程数字化转型研制模式变革管理变革

喷嘴结构细节对连续爆轰发动机掺混特性的影响

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航空动力学报 2024年第8期39卷 178-184页

作者：孔维鹏刘倩中国航天科技集团有限公司北京航天动力研究所北京100076 中国航天科技集团有限公司低温液体推进技术实验室北京100076

为研究不同喷嘴结构细节对气氢/气氧连续爆轰发动机冷态掺混特性的影响,采用商业软件Fluent对其冷态掺混流场进行了数值仿真研究。以环缝-喷孔式喷注结构为基础,设计了12种不同喷嘴结构的连续爆轰发动机,研究了在入口条件相同的情况下,... 详细信息

为研究不同喷嘴结构细节对气氢/气氧连续爆轰发动机冷态掺混特性的影响,采用商业软件Fluent对其冷态掺混流场进行了数值仿真研究。以环缝-喷孔式喷注结构为基础,设计了12种不同喷嘴结构的连续爆轰发动机,研究了在入口条件相同的情况下,不同气氧喷嘴出口扩张角、不同气氢喷注角度、不同气氢喷嘴出口扩张角以及单双侧喷注对掺混特性的影响。结果表明:气氧喷嘴出口扩张角在0°~20°范围内,掺混效果呈现先下降后上升的趋势,气氧喷嘴出口扩张角最佳值为20°;气氢喷注角度在30°~90°范围内,掺混效果呈现先上升后下降的趋势,气氢喷注角度最佳值为45°;在0°~10°范围内,增大气氢喷嘴出口扩张角使得掺混效果下降;气氢双侧喷注的掺混效果明显优于单侧喷注。

关键词：连续爆轰发动机气氢/气氧喷嘴结构冷态流场掺混特性数值仿真

基于N-EKF的非合作低轨目标双星无源定位跟踪算法

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系统工程与电子技术 2024年第5期46卷 1777-1782页

作者：李罗钢路鹰晁鲁静任金磊中国航天科技创新研究院北京100088

针对两颗天基光学卫星对低轨非合作目标进行无源定位跟踪的问题,提出了一种基于Newton迭代与扩展卡尔曼滤波(Newton iteration and extended Kalman filter,N-EKF)的定位跟踪算法。首先,将基于角度测量信息的双星观测模型转化为双直线... 详细信息

针对两颗天基光学卫星对低轨非合作目标进行无源定位跟踪的问题,提出了一种基于Newton迭代与扩展卡尔曼滤波(Newton iteration and extended Kalman filter,N-EKF)的定位跟踪算法。首先,将基于角度测量信息的双星观测模型转化为双直线公垂线中点问题,并进一步转化为非线性方程问题,使用Newton迭代算法得到非合作目标的初始定位信息。然后,采用扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)方法,在初始定位信息基础上,结合近地轨道动力学模型,实现对非合作在轨目标的精确跟踪滤波。最后,通过仿真验证了所提方法的可行性及优势。

关键词：双星无源定位非合作低轨目标跟踪滤波

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充气式返回舱化学非平衡仿真分析

国防科技大学学报 2024年第3期46卷 79-87页

作者：何青松王广兴冯瑞董海波黄明星贾贺北京空间机电研究所北京100094 中国航天科技集团有限公司航天进入、减速与着陆技术实验室北京100094

采用空气五组分模型对充气式返回舱的气动特性进行了化学非平衡数值模拟研究,考察了返回舱外形变化对流场温度和压力的分布以及壁面热流密度和压强的影响,分析了流场中组分分布情况。研究结果表明,外形变化在总体上对返回舱流场特性影... 详细信息

采用空气五组分模型对充气式返回舱的气动特性进行了化学非平衡数值模拟研究,考察了返回舱外形变化对流场温度和压力的分布以及壁面热流密度和压强的影响,分析了流场中组分分布情况。研究结果表明,外形变化在总体上对返回舱流场特性影响较小,会使舱体壁面处的热流密度有所增加;对流场组分分布的研究发现,由于N 2比O 2更难解离,在整个流场中N的摩尔分数远低于O的摩尔分数;在目前的计算条件下,沿轴线和壁面的氮氧比与来流基本保持一致。仿真结果在总体上与实验结果符合较好,验证了仿真模型的可靠性。

关键词：充气式返回舱化学非平衡外形变化组分分布数值模拟

基于人工神经网络的固体推进剂细观损伤与宏观刚度映射关系

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4765-4777页

作者：张滔韬杨玉新张二晗校金友吕海宝文立华雷鸣侯晓西北工业大学航天学院西安航天动力技术研究所哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所中国航天科技集团公司

作为一种高夹杂比颗粒增强聚合物基复合材料，固体推进剂的宏观力学性能主要由其细观结构决定。外加载荷下，初始缺陷或细观颗粒团聚均可诱发局部应力集中，导致颗粒-基体细观界面脱粘，材料宏观力学性能劣化。如何构建细观损伤与宏观... 详细信息

作为一种高夹杂比颗粒增强聚合物基复合材料，固体推进剂的宏观力学性能主要由其细观结构决定。外加载荷下，初始缺陷或细观颗粒团聚均可诱发局部应力集中，导致颗粒-基体细观界面脱粘，材料宏观力学性能劣化。如何构建细观损伤与宏观性能间的映射关系，已成为推进剂细观实验结果合理运用、固体火箭发动机结构灾变准确预报的关键。为此，本文发展了基于连续介质力学框架的人工神经网络，以变形梯度的不变量为输入、自由能为输出，遴选现有自由能函数和损伤增长函数形式为神经网络设计激活函数，使神经网络先验地满足变形连续性、坐标不变性、热力学一致性等要求。基于上述物理相容性，神经网络能在稀疏训练数据条件下快速收敛，还能够自下而上地实现损伤状态的遗传映射。最后，采用有限元分析获取的数据集，验证了该网络模型对不同预损伤下的推进剂在单轴拉伸、等双轴拉伸、纯剪切3种加载条件下的宏观刚度预报能力。

关键词：固体推进剂力学本构关系人工神经网络细观损伤细-宏观映射

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液体火箭发动机高频燃烧不稳定问题综述

航空学报 2024年第11期45卷 106-132页

作者：汪广旭李斌谭永华高玉闪西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室西安710100 中国航天科技集团航天推进技术研究院西安710100

高频燃烧不稳定现象诱发的大幅值压力振荡严重威胁液体火箭发动机可靠性,为此,国内外开展了大量深入的研究工作。为了提高对此类问题及相关研究的整体认识,系统阐述了液体火箭发动机高频燃烧不稳定问题的主要特点、关键物理机制、研究... 详细信息

高频燃烧不稳定现象诱发的大幅值压力振荡严重威胁液体火箭发动机可靠性,为此,国内外开展了大量深入的研究工作。为了提高对此类问题及相关研究的整体认识,系统阐述了液体火箭发动机高频燃烧不稳定问题的主要特点、关键物理机制、研究思路等,重点梳理了国内外在液体推进剂燃烧子过程响应机理方面的研究工作,明确指出了燃烧速率控制过程对于此类问题分析的重要意义。在此基础上,详细总结了液滴蒸发和射流掺混作为速率控制过程的高频燃烧不稳定问题数值仿真研究进展,仔细归纳了线性和非线性理论解析分析方法面临的挑战,简要介绍了基于非线性动力系统的分析方法在揭示高频燃烧不稳定非线性行为以及稳定性裕度评估方面的重要潜力。最后,针对不同工程控制措施的内在联系、应用情况等进行了分析,特别强调了燃烧释热分布控制的重要性。

关键词：液体火箭发动机高频燃烧不稳定燃烧响应速率控制过程燃烧释热分布控制