双模式推进系统工作性能仿真研究

发布时间：2017-09-13 18:28

  本文关键词：双模式推进系统工作性能仿真研究

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【摘要】：随着航天任务要求越来越多样化,对传统的推进系统多样性也提出了更多的要求。双模式推进系统由于具有比冲高和多次点火变轨的优点,得到了广泛的应用。双模式推进系统可根据工况的需要切换不同的工作模式,实现推力器工作的多样化。双模式推进系统即双组元推进模式、单组元推进两种工作模式。在双组元推进模式时的变轨工况下采用双组元推力器。在单组元推进模式时,系统有姿控和位保两种工况,姿控时采用单组元化学推力器,位保时采用肼电弧推力器。双模式推进系统结合了双组元推进高比冲和单组元推进高可靠、低推力、脉冲性好的优点的双重优点,使系统具有更好的整体性能。本文以双模式推进系统为研究对象,通过三维和一维仿真相结合的方式对双模式推进系统的流动特性以及推力性能展开研究。首先依据仿真模块化的思想,按照工作特性的不同把双模式推进系统相关部件划分为以下模块：阀门部件、推力器部件、系统其他组件(气瓶、气体管路、贮箱增压系统、液体管路)等。在对其工作特点进行分析的基础上下,建立上述模块的数学模型。同时分别对双组元推力器、单组元化学推力器以及肼电弧推力器进行三维仿真研究,得到了推力器内温度、压力的仿真结果,通过与同样工况下试验结果比对,表明仿真模型计算结果与同样工况下试验结果都比较吻合,验证了仿真模型的准确性。其次采用三维仿真软件对阀门部件(单向阀、大流量自锁阀、小流量自锁阀)进行仿真研究,分析了阀门瞬态和稳态流动特性,通过对不同入口压力、阀芯直径、流道直径条件下阀门流量压降特性研究,为阀门结构设计和流场优化提供了参考。最后采用一维仿真软件对双组元推进模式和单组元推进模式下系统流路特性进行了仿真研究,分析了系统流动响应特性规律,并获得了两种推进模式下推进剂流量特性曲线。以双组元推进模式下系统的流路出口流量作为双组元推力器的入口边界,基于已建立和验证的推力器三维仿真模型,对双组元推力器燃烧工作过程进行仿真研究,获得了双组元推进模式时轨控工况下推力特性。以单组元推进模式下系统的流路出口流量作为单组元化学推力器和肼电弧推力器的入口边界,对单组元推力器催化分解过程和肼电弧推力器工作过程进行仿真研究,获得了单组元推进模式时姿控和位保工况下的推力特性。
【关键词】：双模式推进系统 流阻特性 双组元推力器 肼电弧推力器 推力特性
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V43
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-26
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 双模式推进系统的国内外研究现状13-25
• 1.2.1 双模式推进系统的概述13-16
• 1.2.2 推进系统工作过程仿真的研究现状16-21
• 1.2.3 推力器工作过程仿真的研究现状21-25
• 1.3 研究内容25-26
• 2 双模式推进系统关键部件工作过程的数学模型26-63
• 2.1 阀门部件工作过程的数学模型27-28
• 2.1.1 流动基本控制方程27-28
• 2.1.2 阀芯运动动力学模型28
• 2.2 双组元推力器工作过程的数学模型28-34
• 2.2.1 气相基本控制方程29
• 2.2.2 液相基本控制方程29-30
• 2.2.3 喷雾模型30-32
• 2.2.4 液滴蒸发模型32-33
• 2.2.5 物性参数模型33-34
• 2.3 单组元化学推力器工作过程的数学模型34-37
• 2.3.1 多孔介质流动、传热模型35-36
• 2.3.2 无水肼催化分解反应模型36-37
• 2.4 肼电弧推力器工作过程的数学模型37-44
• 2.4.1 耦合电磁源项的流动基本控制方程38-40
• 2.4.2 电磁场方程40-42
• 2.4.3 状态方程42
• 2.4.4 热物性参数模型42-44
• 2.5 推力器部件工作过程的三维仿真模型验证44-58
• 2.5.1 双组元推力器部件仿真模型验证44-50
• 2.5.2 单组元化学推力器部件仿真模型验证50-55
• 2.5.3 肼电弧推力器部件仿真模型验证55-58
• 2.6 双模式推进系统其他组件工作过程的数学模型58-61
• 2.6.1 气瓶的热力学模型58-59
• 2.6.2 气体管路的数学模型59
• 2.6.3 贮箱增压系统的数学模型59-60
• 2.6.4 液体管路的数学模型60-61
• 2.7 本章小结61-63
• 3 关键阀门部件流阻及响应特性三维仿真分析63-96
• 3.1 气路单向阀工作性能仿真分析63-71
• 3.1.1 入口压力对开机冲击响应特性分析69-70
• 3.1.2 稳态过程流场特性分析70-71
• 3.2 液路大流量自锁阀工作性能仿真分析71-84
• 3.2.1 入口压力对开机过程影响分析76-77
• 3.2.2 流道直径对开机过程影响分析77-79
• 3.2.3 阀芯直径对开机过程影响分析79-81
• 3.2.4 稳态过程流阻特性分析81-84
• 3.3 液路小流量自锁阀工作性能仿真分析84-95
• 3.3.1 入口压力对开机过程影响分析88
• 3.3.2 流道直径对开机过程影响分析88-91
• 3.3.3 阀芯直径对开机过程影响分析91-93
• 3.3.4 稳态过程流阻特性分析93-95
• 3.4 本章小结95-96
• 4 双模式推进系统流动及推力性能仿真分析96-129
• 4.1. 双模式推进系统AMES-仿真模型的建立97-101
• 4.1.1 Amesim仿真流程97-98
• 4.1.2 基本仿真参数的确定98-99
• 4.1.3 系统Amesim仿真模型的建立99-101
• 4.2 双组元推进模式下推进系统流动特性与推力性能仿真分析101-114
• 4.2.1 双组元推进模式下推进系统瞬态流动特性仿真分析101-106
• 4.2.2 双组元推进模式下推进系统稳态流动特性仿真分析106-108
• 4.2.3 双组元推力器推力性能仿真分析108-114
• 4.3 单组元推进模式下推进系统流动特性与推力性能仿真分析114-128
• 4.3.1 单组元推进模式下推进系统瞬态流动特性仿真分析114-117
• 4.3.2 单组元推进模式下推进系统稳态流动特性仿真分析117-118
• 4.3.3 单组元化学推力器推力性能仿真分析118-123
• 4.3.4 肼电弧推力器推力性能仿真分析123-128
• 4.4 本章小结128-129
• 5 全文总结与展望129-132
• 5.1 全文总结129-130
• 5.2 工作展望130-132
• 参考文献132-135
• 作者简历135-139
• 学位论文数据集139

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本文编号：845154