液体火箭推进系统动态特性仿真研究

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AMESim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AMESim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AMESet开发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。

论文目录

• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究工作综述
• 1.2.1 推进系统的动力学模型研究
• 1.2.2 推进系统动力学模型的数值计算方法
• 1.2.3 推进系统通用仿真及动态特性分析
• 1.3 本文主要内容
• 第二章 推进系统基本组件的动力学模型
• 2.1 推进剂供应管路动力学模型
• 2.1.1 液体管路动力学模型
• 2.1.2 气体管路动力学模型
• 2.2 贮箱增压系统动力学模型
• 2.2.1 增压气体控制体积的热力学分析
• 2.2.2 推进剂控制体积的热力学分析
• 2.2.3 贮箱动力学模型补充分析
• 2.3 涡轮泵系统动力学模型
• 2.3.1 离心泵的动力学模型
• 2.3.2 涡轮的动力学模型
• 2.3.3 转子的动力学模型
• 2.4 推力室系统动力学模型
• 2.4.1 喷注器的动力学模型
• 2.4.2 燃烧室的动力学模型
• 2.4.3 喷管中燃气流动力学模型
• 2.4.4 推力室再生冷却夹套的动力学模型
• 2.5 阀门和调节器组件动力学模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 推进系统仿真模型的建立
• 3.1 工程系统高级建模与仿真软件AMESim
• 3.1.1 AMESim软件的简介
• 3.1.2 AMESim软件的特点
• 3.1.3 AMESim软件的模型库
• 3.1.4 AMESim的仿真模块开发
• 3.2 推进系统基本元件的仿真模型
• 3.2.1 推进剂的仿真模型
• 3.2.2 管路系统元件的仿真模型
• 3.2.3 贮箱系统元件的仿真模型
• 3.2.4 推力室系统元件的仿真模型
• 3.2.5 涡轮泵系统元件的仿真模型
• 3.2.6 阀门和调节器组件的仿真模型
• 3.3 AMESim的应用举例分析
• 3.3.1 卸荷式气动减压阀的建模与仿真
• 3.3.2 泵压式循环系统部件的建模与仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 贮箱增压系统的建模与仿真分析
• 4.1 贮箱增压系统的方案
• 4.2 增压系统的数学模型
• 4.3 增压系统仿真模型的建立
• 4.4 仿真与结果分析
• 4.4.1 参数设置与要求
• 4.4.2 气瓶贮气增压的仿真结果及分析
• 4.4.3 汽化自生增压的仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 空间推进系统的建模与仿真分析
• 5.1 空间推进系统的设计方案
• 5.2 空间推进系统的仿真模型的建立
• 5.3 空间推进系统的动态特性仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 可变推力发动机系统的建模与仿真分析
• 6.1 变推力发动机系统的设计方案
• 6.2 过氧化氢催化分解动力学模型
• 6.3 发动机系统的仿真模型的建立
• 6.4 仿真结果及分析
• 6.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果