液体火箭发动机响应特性研究及稳定性的非线性分析

论文摘要

动态特性包括响应特性和稳定性,本文采用理论分析、数值仿真和试验研究等手段对目前这两方面研究的不足及存在的难题开展了深入的研究工作。设计了用于液氧流量调节的低温可调汽蚀文氏管;建立了低温可调汽蚀文氏管汽蚀状态和非汽蚀状态下统一的动力学模型;对低温流量控制系统进行了大量冷态、热态试验,得到了流量系数、压力恢复系数随文氏管入口压力及调节针锥位移的变化规律,并成功实现了多级流量调节和工况转换。建立了两位五通常开式电动气阀、杠杆式气动液阀的动力学模型;分析了控制气体压力、最大气隙以及工作电压等因素对电动过程的影响;分析了控制气体压力、控制腔容腔半径、与电动气阀之间连接管长度以及工质腔入口压力等因素对气动液阀启动过程的影响;对电动气阀和气动液阀联立时的工作特性进行了大量试验研究。建立了三组元工况和两组元工况下统一的燃烧室模型;对三组元发动机地面试验系统的常温和低温推进剂充填过程、起动时序、转工况时序以及动态响应过程进行了深入的仿真研究,提出了用液体体积分数来直观描述容腔的充填过程;进行了大量地面热态试验,验证仿真分析的结果。首次将基于相空间重构的非线性时间序列分析方法用于液体火箭发动机稳定性分析中,从一个全新的视角来研究复杂的液体火箭发动机系统的稳定性,得到发动机工作的稳定性极限,揭示出系统的动力学本质,为解决系统稳定性和燃烧过程稳定性这一理论和工程上的难题提供新的思路和手段。非线性时间序列分析的基础是干净、真实的时间序列数据,本文对现有小波去噪方法进行改进,提出了一种基于小波变换模极大值与阈值决策相融合的去噪方法。该方法融合了小波变换模极大值去噪法和阈值去噪法的优点,克服了将非模极大值点的小波系数全部置为0,从而舍弃部分有用信息的缺陷,也克服了对阈值简单设置的不足,针对不同尺度下模极大值的情况,进行合理的阈值设置;利用经典的Lorenz非线性动力系统对改进方法进行验证,结果表明改进方法具有精度高、算法简单、计算效率高的优点;利用改进方法对PCB高频压力传感器测得的试验数据进行去噪处理,既达到了良好的去噪效果,又保留了原始信号的主要特征。对基于相空间重构的非线性时间序列分析进行了深入的理论研究,开发出重构参数(时间延迟、嵌入维数)、关联维数和最大Lyapunov指数的计算程序;针对三组元发动机地面试验系统,首次计算出正常工况下发动机系统的关联维数在2.9和3.2之间,最大Lyapunov指数在0.0006和0.001之间。且利用两种非线性特征量的突变,可以检测出发动机的故障以及看似正常的燃烧室压力脉动曲线对应的参数稳定性边界。对三组元发动机地面试验系统的客观试验数据进行了基于相空间重构的非线性时间序列分析,定量计算出:氢含量的稳定性边界是12%左右,氢温度的稳定性边界是112K左右,氢喷注压降的稳定性边界为室压的16%左右,一旦低于这些边界,系统就容易激发不稳定;余氧系数的稳定性裕度较宽,在0.6~1的范围内发动机都可以正常工作,这利于工况设定。

论文目录

• 插图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义与背景
• 1.2 液体火箭发动机动态特性研究综述
• 1.2.1 动力学模型
• 1.2.2 动力学模型解算的数值计算方法研究
• 1.2.3 液体火箭发动机系统响应特性通用仿真软件
• 1.2.4 液体火箭发动机系统响应特性仿真研究
• 1.2.5 液体火箭发动机系统稳定性研究
• 1.3 非线性时间序列分析研究进展
• 1.3.1 基于相空间重构的非线性时间序列分析研究进展
• 1.3.2 小波去噪研究综述
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 低温流量控制系统仿真与试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 液氧可调汽蚀文氏管设计
• 2.2.1 设计思路
• 2.2.2 传热计算
• 2.3 低温流量控制系统建模
• 2.3.1 步进电机动力学模型
• 2.3.2 低温可调汽蚀文氏管动力学模型
• 2.4 低温流量控制系统响应特性分析
• 2.4.1 步进电机响应特性分析
• 2.4.2 流量控制系统抗背压波动特性
• 2.4.3 流量调节特性
• 2.5 低温流量控制系统冷态试验研究
• 2.5.1 流量特性研究
• 2.5.2 压力恢复系数研究
• 2.5.3 液氧流量标定试验
• 2.6 低温流量控制系统热试应用研究
• 2.6.1 热态性能试验
• 2.6.2 多级推力调节
• 2.7 小结
• 第三章 电动气阀及气动液阀响应特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 两位五通常开式电动气阀响应特性分析
• 3.2.1 电动气阀工作原理
• 3.2.2 电动过程动力学模型
• 3.2.3 气动过程动力学模型
• 3.2.4 电动过程响应特性分析
• 3.2.5 气动过程响应特性分析
• 3.3 杠杆式气动液阀响应特性分析
• 3.3.1 气动液阀动力学模型
• 3.3.2 气动液阀响应特性分析
• 3.4 电动气阀－气动液阀仿真与试验比较
• 3.5 小结
• 第四章 发动机系统响应特性仿真与试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统动力学模型
• 4.2.1 液体管路动力学模型
• 4.2.2 气体管路动力学模型
• 4.2.3 阀门动力学模型
• 4.2.4 文氏管动力学模型
• 4.2.5 三组元发动机燃烧室动力学模型
• 4.3 三组元发动机地面试验系统及仿真结构图
• 4.3.1 三组元发动机地面试验系统
• 4.3.2 仿真结构图
• 4.4 推进剂充填过程研究
• 4.4.1 常温推进剂充填过程研究
• 4.4.2 低温推进剂充填过程研究
• 4.5 起动时序研究
• 4.6 转工况时序研究
• 4.7 试验系统动态响应过程仿真
• 4.8 小结
• 第五章 基于相空间重构理论的非线性时间序列分析
• 5.1 引言
• 5.2 时间序列的小波去噪方法改进
• 5.2.1 小波去噪方法改进
• 5.2.2 小波去噪改进方法验证
• 5.2.3 试验数据的小波去噪
• 5.3 重构参数的确定
• 5.3.1 嵌入维数的确定
• 5.3.2 时间延迟的确定
• 5.4 非线性特征量的计算
• 5.4.1 关联维数的计算
• 5.4.2 最大Lyapunov 指数的计算
• 5.5 应用实例
• 5.6 小结
• 第六章 发动机系统稳定性的非线性时间序列分析
• 6.1 引言
• 6.2 发动机系统稳定性试验
• 6.2.1 试验系统和试验件
• 6.2.2 燃烧室压力脉动信号
• 6.3 压力脉动信号的非线性分析
• 6.3.1 压力脉动信号的相空间重构
• 6.3.2 压力脉动信号的关联维数计算
• 6.3.3 压力脉动信号的最大Lyapunov 指数计算
• 6.4 氢含量对稳定性的影响
• 6.5 氢温度对稳定性的影响
• 6.6 喷注压降对稳定性的影响
• 6.7 余氧系数对稳定性的影响
• 6.8 小结
• 第七章 结束语
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 创新点
• 7.3 对未来研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表论文及撰写报告