串联式TBCC发动机建模与控制方法研究

发布时间：2020-04-16 02:45

【摘要】：涡轮基组合推进系统因其工作包线宽广,性能优异等,被认为是两级入轨运载器的第一级动力装置的最优选择,同时也是下一代自然吸气推进系统的主要发展方向,备受国内外研究机构重视。本文的工作主要是建立串联式涡轮基组合推进系统数值模型,对其不同工作模式的工作特性进行分析,具体包括:首先,建立进气道/串联式涡轮冲压组合发动机一体化数值仿真模型。采用“平衡法”建立部件间共同工作关系,研究了非线性方程组数值解法,基于混合Newton-逆Broyden方法求解部件共同工作方程组,在保证求解精度的同时降低了计算复杂度。其次,研究了组合推进系统涡轮模式的起动问题,包括地面起动、风车起动和空中静止起动。基于几何相似扩展部件工作特性,使用“平衡法”建立部件间流量连续条件,开展了起动过程仿真。再次,对组合推进系统的工作特性进行分析,根据冲压模式耗油率与涡轮基模式耗油率的对比,确定组合推进系统工作模式转换的工作点。同时,根据转换要求,制定了转换控制计划,为组合推进系统在不同工作模式间的平稳过渡提供保障。最后,研究了组合推进系统的控制器设计问题。根据其工作模式,初步划分为五类:起动、中间、加力、冲压及转换控制。采用增广线性二次型控制算法,并基于差分进化算法优化权重矩阵Q、R,使设计的控制器满足性能指标。采用比例-积分控制器对组合推进系统的起动及加力点火过程进行控制。论文通过仿真验证了控制方法的可行性。
【图文】：

发动机燃料,比冲,推进系统

1.1 研究背景及意义从 1903 年莱特兄弟实现的现代飞行，人类对航空的需求日益增加。尤其是 20 世纪末至21 世纪初期的空间探索的进步，使得人们开始思考如何发展低成本的太空运送设备。同时，在相关军事概念的发展中，高超声速武器装备也成为近年的热点概念装备，中国、美国、俄罗斯等都有相关装备的研发计划[1]。不论是空天往返飞行器还是各种高超声速飞行器的概念发展中，无法避免的是设计的验证飞行器都需要辅助启动，由辅助装置将其投送到达设计工作区域后，才能进行相关的试验。因此，发展一套可自启动，且能将飞行器送至设计工作区域的高超声速推进系统是目前的热点研究内容之一[2,3]。目前在人类已成熟掌握的航空自吸气式推进系统中，涡轮基推进系统一般工作于 0~3Ma，亚燃冲压推进系统一般工作于 2~6 Ma，超燃冲压推进系统则一般大于 6 Ma[4,5]。图 1.1和图 1.2 示出了各种典型类型的发动机燃油比冲 If和单位燃油消耗量 SFC 随飞行马赫数 Ma变化的典型曲线图[5]。从图 1.1 和图 1.2 中可知，要实现从地面静止启动到高超声速飞行，仅依靠单一类型发动机是无法满足使用需求的。因此，，国内外研究学者和机构均提出使用组合动力作为高超声速飞行器的推进系统[1,6,7]。

飞行马赫数,典型曲线,燃油消耗,推进系统

1.1 研究背景及意义从 1903 年莱特兄弟实现的现代飞行，人类对航空的需求日益增加。尤其是 20 世纪末至21 世纪初期的空间探索的进步，使得人们开始思考如何发展低成本的太空运送设备。同时，在相关军事概念的发展中，高超声速武器装备也成为近年的热点概念装备，中国、美国、俄罗斯等都有相关装备的研发计划[1]。不论是空天往返飞行器还是各种高超声速飞行器的概念发展中，无法避免的是设计的验证飞行器都需要辅助启动，由辅助装置将其投送到达设计工作区域后，才能进行相关的试验。因此，发展一套可自启动，且能将飞行器送至设计工作区域的高超声速推进系统是目前的热点研究内容之一[2,3]。目前在人类已成熟掌握的航空自吸气式推进系统中，涡轮基推进系统一般工作于 0~3Ma，亚燃冲压推进系统一般工作于 2~6 Ma，超燃冲压推进系统则一般大于 6 Ma[4,5]。图 1.1和图 1.2 示出了各种典型类型的发动机燃油比冲 If和单位燃油消耗量 SFC 随飞行马赫数 Ma变化的典型曲线图[5]。从图 1.1 和图 1.2 中可知，要实现从地面静止启动到高超声速飞行，仅依靠单一类型发动机是无法满足使用需求的。因此，国内外研究学者和机构均提出使用组合动力作为高超声速飞行器的推进系统[1,6,7]。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V438

【参考文献】