低温液体火箭发动机静态特性建模与仿真研究

发布时间：2020-04-04 18:26

【摘要】：静态特性仿真与分析是液体火箭发动机研制过程中的重要环节与必要手段。国内外针对液体火箭发动机的静态特性仿真开展了大量的工作,取得了一系列学术成果,为工程实践提供了依据和指导。但与国外相比,我国在低温火箭发动机静态特性仿真的模型准确性、平台通用性和静态特性分析的应用研究方面还存在较大的差距。为此,本文开展了低温火箭发动机的静态特性建模与仿真分析,建立了低温火箭发动机静态特性模型库,并对低温火箭发动机的性能可靠性、性能参数敏感性、参数调节特性、以及故障仿真与诊断等热点工程问题开展了研究。本文对低温火箭发动机各部件的静态特性开展了理论分析,建立了涡轮泵、燃烧装置、管路和节流元件等主要部件的静态特性模型。其中,针对低温推进剂的密度和温度在泵后变化较大的情况,引入了泵后温升模型,提高了低温泵扬程与效率的计算准确性;针对氢氧推力室冷却夹套传热计算误差较大的问题,通过理论分析与试验数据归纳,对冷却夹套的计算模型进行了修正,提出了有较高计算精度的氢氧推力室冷却夹套传热计算模型;针对基于伯努利方程得到的汽蚀文氏管模型不适用于液氢的问题,引入了等熵算法,解决了液氢汽蚀管的流量计算问题;针对发动机系统对结构质量特性的关注,根据低温发动机的实际数据对已有的发动机结构质量估算模型进行了修正,建立了低温发动机结构质量近似仿真模型。根据低温火箭发动机各部件的静态特性数学模型,基于模块化建模思想,使用Modelica语言搭建了低温发动机的各主要部件的静态特性仿真模块,组成了低温火箭发动机静态特性模型库,形成了通用的低温火箭发动机静态特性仿真平台。基于静态特性仿真平台,对液氧/甲烷发动机开展了性能可靠性评估和性能参数敏感性分析,通过蒙特卡洛仿真得出了该型发动机的性能可靠性指标;通过单因素敏感性分析和多因素敏感性分析方法,结合极差分析与方差分析原理,得到了对该型发动机性能影响最大的参数,并指出了这些参数对性能影响的显著性高低;对全流量补燃循环发动机的参数调节特性开展了研究,考虑到调节精度和阀门的工作可靠性,分析了以各种调节方案开展推力和混合比调节时发动机各部件参数的变化特性,并比较出相对更优的调节方案;开展了50吨级氢氧火箭发动机的静态特性故障仿真与分析,得到该型发动机在各类故障模式下关键参数的变化趋势与程度,并提出了氢氧火箭发动机的静态特性故障矩阵,为该型发动机的后续研制和故障分析提供了依据。
【学位授予单位】：中国运载火箭技术研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V434

【相似文献】