固体火箭发动机装药设计方法技术

本发明专利技术提供一种固体火箭发动机装药设计方法，以代理模型为基础，直接对推力曲线进行近似，通过构造推力曲线而不是推力曲线与设计指标之间的最小二乘偏差的代理模型，有效刻画出推力随时间的变化规律，从而明显减少了高精度燃面与内弹道仿真的次数。代理模型能够更好地刻画推力曲线的变化规律，在后续的设计中更有效指导后续搜索，能显著提高固体火箭发动机装药设计效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞行器发动机设计
，具体的涉及一种固体火箭发动机装药设计方法。
技术介绍
固体火箭发动机是导弹、火箭等航天运载器的重要动力系统之一。固体火箭发动机的装药设计，一般要求在满足发动机内弹道性能和相关约束条件下，选择药型并确定其几何参数，同时综合考虑燃烧室壳体内部绝热层、衬层和人工脱粘层的设计要求。装药设计是固体火箭发动机设计最核心的技术。航天飞机固体助推火箭发动机具有大长径比、较高轴向压降、侵蚀燃烧严重、复杂点火过程、装药制造过程驼峰效应不确定性和较小内弹道性能散布设计要求等特点，需要采用先进建模方法提高内弹道性。装药设计的主要任务是通过调整装药的几何构型(即几何参数)，使装药在燃烧过程中产生的推力满足发动机总体设计提出的推力需求。参见图1，给定装药的几何构型后，通过运行几何建模、燃面计算和内弹道仿真可以得到对应的推力曲线，若推力曲线满足总体指标，则输出设计结果(发动机装药几何参数和推力曲线)，否则，就要采用一定的调整策略寻找下一个几何参数。目前常用的装药设计方法有：(1)基于已有案例与经验，手动调整装药几何参数后，进行迭代搜索。此类方法在工业生产中用的最多，因为生产部门常年从事装药生产和设计，积累了大量实际操作经验与案例，因此可以较好地对迭代初始几何参数进行选择，从而提高设计后所得装药参数的准确性。此类方法仅限于有经验的工程师参与设计的情况下，才能使用，而且手工迭代效率较低；(2)将优化设计方法用于装药设计，构造装药设计的优化问题，用优化方法来自动搜索。此类方法可以避免人工迭代，且不需要太多的工程经验。李晓斌，张为华，王中伟发表于《推进技术》2006年4月第27卷第2期中的《装药几何参数不确定性优化设计》的文章公开的优化设计方法，即是通过优化设计方法对装药几何参数进行优化的处理方法。例如此类方法实施步骤如下：A、建立优化模型首先，建立装药构型的参数化模型，确定设计变量、优化目标和约束变量。通常设计变量为装药的几何参数，通过这些参数可以唯一确定装药的几何构型，优化目标为仿真优化设计所得内弹道曲线与设计指标要求的内弹道曲线之间的偏差最小，约束变量为发动机的性能指标(例如：总冲、质量比、喉通比等指标均可)。B、选择优化方法在优化方法的选择上，通常采用智能优化方法与局部搜索方法相结合，此类方法无需大量的迭代计算，采用低精度的解析方法进行燃面退移规律仿真。或采用基于代理模型的优化方法与燃面仿真模型相结合进行优化，该模型的仿真结果精度较高，该优化方法的搜索效率更高。此类方法可以避免依靠经验进行设计，使用人工迭代，但是由于所采用的各类优化算法均需进行大量的仿真计算，因此只能用解析的燃面计算方法，不能精确刻画燃面的退移规律。即使采用代理模型和高精度燃面退移规律的设计方法，仍然需要进行上百次的燃面和内弹道仿真，计算代价仍然较大。而且目前采用优化进行装药设计的方法将推力曲线转化为一个标量进行优化，很多种不同的推力曲线形式往往会得到一个相同的指标，给寻优带来了困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种固体火箭发动机装药设计方法，该专利技术解决了现有技术中固体火箭发动机装药设计过程效率低下，过于依赖经验的技术问题。本专利技术提供了一种固体火箭发动机装药设计方法，包括以下步骤：1)给定发动机装药几何构型设计指标要求的推力需求曲线F0(t)；2)建立发动机装药几何构型的参数化模型，根据所处理装药几何构型的类型确定所需处理的设计变量X及其范围；3)根据设计变量X的个数m及其范围建立设计空间，在设计空间内采用最优拉丁超立方采样法采集2m个采样点，在每个采样点处建立性能仿真模型，并运行性能仿真模型，得到每个采样点对应的2m条推力曲线，所得设计变量X在第i个采样点处的值Xi和与不同采样点对应的仿真推力曲线fi(t)之间的对应关系，如式(1)所示；其中，Xi为设计变量X在第i个采样点处的推力值，fi(t)为对不同采样点处各设计变量分别进行设计仿真得到的仿真推力曲线，将2m条仿真推力曲线在每个工作时间点t上分别均匀地离散为N个点，得到如式(2)所示的样本集，该样本集表示各离散时刻ti的推力值f2m(tN)与设计变量Xi之间的对应关系：4)根据式(2)构造每个离散时刻推力的代理模型si(X)，得到N个代理模型，同时si(X)满足式(3)：F(ti)＝si(X) (3) 其中，F(ti)为离散时刻ti对应的推力，其中ti中的i满足1<i<N；si(X)为根据样本数据[Xj,fj(ti)]其中j＝1,2,…,2m+k，在每个离散点上构造得到的推力代理模型；5)根据所得N个推力代理模型，求解公式(4)所示的优化问题，得到该优化问题对应的最优解为设计变量最优解Xk+2m；在所得设计变量最优解Xk+2m处运行性能仿真模型，得到对应的最优推力曲线，并将最优推力曲线在每个工作时间点上离散为N个点，添加到矩阵(2)中，则公式(2)中的样本点个数从N个变为2m+k个；6)收敛判定：迭代初始时，令迭代次数k＝0，指定搜索精度eps和最大搜索步数Kmax，按照公式(5)进行迭代计算得到任意两不同的离散时刻分别对应推力曲线的均方偏差：其中，F2m+k-1(ti)为第2m+k-1个离散点处的推力曲线，F2m+k(ti)为第2m+k个离散点处的推力曲线，F0(ti)为设计指标要求的推力曲线，N为离散点个数；若error(k)＜eps或k＝Kmax，则停止搜索，输出设计变量最优解Xk+2m及其对应的最优推力曲线f2m+k(t)，[X2m+k,f2m+k(t)]，否则，转步骤4)直至满足该条件时迭代停止。进一步地，搜索精度eps指定为0.001。进一步地，最大搜索步数Kmax指定为5m。本专利技术的技术效果：本专利技术提供固体火箭发动机装药设计方法1、本专利技术提供固体火箭发动机装药设计方法，以代理模型为基础，直接对推力曲线进行近似，通过构造推力曲线而不是推力曲线与设计指标之间的最小二乘偏差的代理模型，有效刻画出推力随时间的变化规律，从而明显减少了高精度燃面与内弹道仿真的次数，为固体火箭发动机装药设计提供了快速、准确的设计方法。2、本专利技术提供固体火箭发动机装药设计方法，由于对多个离散时刻的推力进行近似建模，因此对推力曲线的考虑更为精细，得到最优解需要的迭代次数比现有方法减少至少一个数量级仅需15～40次迭代即可得到优选值，从而实现了对装药的快速设计。3、本专利技术提供固体火箭发动机装药设计方法提高了固体火箭发动机设计自动化程度，人为参与过程减少，使其不过分依赖于工程师的经验。4、本专利技术提供固体火箭发动机装药设计方法执行效率高、设计速度快，使发动机设计中最耗时的装药设计能够进行自动迭代，大大减少设计耗时。具体请参考根据本专利技术的固体火箭发动机装药设计方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本专利技术的上述和其他方面显而易见。附图说明图1是现有技术中发动机装药几何构型设计方法流程示意图；图2是本专利技术提供的固体火箭发动机装药设计方法流程示意图；图3是本专利技术优选算例1和2中所用后翼柱型装药构型结构示意图，其中a)是后翼柱型装药构型的主视剖视示意图，b)是后翼柱型装药构型的侧视示意图；图4是本专利技术优选算例1的最小二乘偏差监控结果示意图；图5是本专利技术优选算例1单推力发动机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体火箭发动机装药设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)给定发动机装药几何构型设计指标要求的推力需求曲线F0(t)；2)建立发动机装药几何构型的参数化模型，根据所处理装药几何构型的类型确定所需处理的设计变量X及其范围；3)根据设计变量X的个数m及其范围建立设计空间，在设计空间内采用最优拉丁超立方采样法采集2m个采样点，在每个采样点处建立性能仿真模型，并运行性能仿真模型，得到每个采样点对应的2m条推力曲线，所得设计变量X在第i个采样点处的值Xi和与不同采样点对应的仿真推力曲线fi(t)之间的对应关系，如式(1)所示；X1,f1(t)X2,f2(t)......X2m,f2m(t)---(1)]]>其中，Xi为设计变量X在第i个采样点处的推力值，fi(t)为对不同采样点处各设计变量分别进行设计仿真得到的仿真推力曲线，将2m条仿真推力曲线在每个工作时间点t上分别均匀地离散为N个点，得到如式(2)所示的样本集，该样本集表示各离散时刻ti的推力值f2m(tN)与设计变量Xi之间的对应关系：X1,f1(t1)f1(t2)...f1(tN)X2,f2(t1)f2(t2)...f2(tN)......X2m,f2m(t1)f2m(t2)...f2m(tN)---(2)]]>4)根据式(2)构造每个离散时刻推力的代理模型si(X)，得到N个代理模型，同时si(X)满足式(3)：F(ti)＝si(X)     (3)其中，F(ti)为离散时刻ti对应的推力，其中ti中的i满足1<i<N；si(X)为根据样本数据[Xj,fj(ti)]其中j＝1,2,…,2m+k，在每个离散点上构造得到的推力代理模型；5)根据所得N个推力代理模型，求解公式(4)所示的优化问题，得到该优化问题对应的最优解为设计变量最优解Xk+2m；min1NΣi=0N[si(X)-F0(ti)]2---(4)]]>在所得设计变量最优解Xk+2m处运行性能仿真模型，得到对应的最优推力曲线，并将最优推力曲线在每个工作时间点上离散为N个点，添加到矩阵(2)中，则公式(2)中的样本点个数从N个变为2m+k个；6)收敛判定：迭代初始时，令迭代次数k＝0，指定搜索精度eps和最大搜索步数Kmax，按照公式(5)进行迭代计算得到任意两不同的离散时刻分别对应推力曲线的均方偏差：error(k)=1NΣi=0N[F2m+k-1(ti)-F2m+k(ti)F0(ti)]2---(5)]]>其中，F2m+k‑1(ti)为第2m+k‑1个离散点处的推力曲线，F2m+k(ti)为第2m+k个离散点处的推力曲线，F0(ti)为设计指标要求的推力曲线，N为离散点个数；若error(k)<eps或k＝Kmax，则停止搜索，输出设计变量最优解Xk+2m及其对应的最优推力曲线f2m+k(t)，[X2m+k,f2m+k(t)]，否则，转步骤4)直至满足该条件时迭代停止。...

【技术特征摘要】
1.一种固体火箭发动机装药设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)给定发动机装药几何构型设计指标要求的推力需求曲线F0(t)；2)建立发动机装药几何构型的参数化模型，根据所处理装药几何构型的类型确定所需处理的设计变量X及其范围；3)根据设计变量X的个数m及其范围建立设计空间，在设计空间内采用最优拉丁超立方采样法采集2m个采样点，在每个采样点处建立性能仿真模型，并运行性能仿真模型，得到每个采样点对应的2m条推力曲线，所得设计变量X在第i个采样点处的值Xi和与不同采样点对应的仿真推力曲线fi(t)之间的对应关系，如式(1)所示； X 1 , f 1 ( t ) X 2 , f 2 ( t ) . . . . . . X 2 m , f 2 m ( t ) - - - ( 1 ) ]]>其中，Xi为设计变量X在第i个采样点处的推力值，fi(t)为对不同采样点处各设计变量分别进行设计仿真得到的仿真推力曲线，将2m条仿真推力曲线在每个工作时间点t上分别均匀地离散为N个点，得到如式(2)所示的样本集，该样本集表示各离散时刻ti的推力值f2m(tN)与设计变量Xi之间的对应关系： X 1 , f 1 ( t 1 ) f 1 ( t 2 ) ... f 1 ( t N ) X 2 , f 2 ( t 1 ) f 2 ( t 2 ) ... f 2 ( t N ) . . . ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东辉，武泽平，张为华，胡凡，江振宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43