一种考虑烧蚀-沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑烧蚀

【技术实现步骤摘要】
一种考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法


[0001]本专利技术涉及姿轨控发动机性能方针领域，具体是一种考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法。

技术介绍

[0002]固体姿轨控发动机是现代动能武器的直接力控制系统，也是未来提升战术导弹武器系统作战性能的关键技术之一。固体姿轨控发动机通常由多喷管耦合工作改变推力矢量大小及方向，实现导弹的大推力快速变轨和姿态调节。发动机推力根据调节阀运动而实时改变，通过调整喉栓与喷管的相对位置直接影响发动机等效喉部面积，从而影响喷管质量流率和推力大小。发动机燃烧室压强是极其重要的设计参数，也是保证发动机稳定工作的必要条件，其变化规律直接决定了发动机的推力及工作时间。
[0003]目前，通常采用常规零维内弹道对燃烧室压强进行计算，不考虑等效喉部面积由于烧蚀/沉积出现的偏差。根据已知喉栓母线、喷管母线以及初始时刻喉栓位置，计算可得喉栓位移
‑
等效喉部面积变化关系。通过对已知喉栓位移
‑
等效喉部面积关系插值，得出各个阀门当前喉栓位移及所对应等效喉部面积，叠加不同时刻各喷管等效喉部面积可得等效喉部面积总和，代入零维内弹道基本方程中可得工作状态下燃烧室压强。
[0004]现有固体姿轨控发动机零维内弹道求解方法主要来源于固体发动机零维内弹道求解方法，计算发动机各种工作条件下燃烧室内压强随时间和空间的变化规律。在理想状态下，固体姿轨控发动机等效喉部面积可简单视为各阀门等效喉部面积之和，但实际工作过程中发动机喷管喉部气流复杂流动，传热和沉积、烧蚀的问题严重，采用常规零维内弹道对固体姿轨控发动机燃烧室压强进行求解，仅能得出理想状态下燃烧室压强情况，会造成燃烧室理论压强与实际压强偏差较大、推力控制不精确的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中由于发动机燃温较高、燃料不纯净、内部材料不耐高温，在喉栓头部及喷管喉部出现烧蚀、沉积效应，造成发动机喷管型面改变，实际等效喉部面积与理想值出现偏差，影响发动机推力性能，造成固体姿轨控发动机推力调控不精确的问题，本专利技术提供一种考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法，能够进行已知烧蚀/沉积规律后的固体姿轨控发动机零维内弹道计算，获得更贴近工程实际情况的燃烧室压强，降低由于零维内弹道计算不精确造成的推力计算误差，易于控制机构对推力的精准调控，便于后期对发动机进行性能考核和数值模拟。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法，包括如下步骤：
[0007]建立考虑烧蚀/沉积影响后的固体姿轨控发动机零维内弹道计算模型；
[0008]采用龙哥库塔法对固体姿轨控发动机零维内弹道计算模型进行迭代求解，得到考
虑烧蚀/沉积影响后对应燃烧室的压强；
[0009]其中，在每步龙格库塔法迭代前，基于喉栓位移及喷管、喉栓的烧蚀/沉积速率得到当前各阀门的等效喉部面积，并累加得到发动机的总等效喉部面积。
[0010]在另一个实施例中，所述考虑烧蚀/沉积影响后的固体姿轨控发动机零维内弹道计算模型为：
[0011][0012]式中，p
c
是燃烧室压强，t是时间，Γ是比热比k的函数，c
*
是特征速度，V
c
是燃烧室自由容积，ρ
p
是推进剂密度，A
b
是装药的燃面面积，a是燃速系数，n是压强指数，A
t
是各阀门等效喉部面积之和，e是药柱肉厚，R是燃气的气体常数，T
f
是定压燃烧温度，k是比热比，A
ti
是单阀等效喉部面积，x
i
是喉栓位移，r
t
、r
p
分别是喷管喉部和喉栓的烧蚀/沉积量。
[0013]在另一个实施例中，采用嵌套二分法得到当前各阀门的等效喉部面积，在单次等效喉部面积求解过程中分为外循环层与内循环层，其中，外循环层在喉栓型面曲线上进行二分法搜索，内循环层在喷管型面曲线上进行二分法搜索。
[0014]在另一个实施例中，所述外循环层的过程为：
[0015]步骤1.1，获取当前喉栓位移位置，并根据烧蚀/沉积模型更新考虑烧蚀/沉积效应后的喉栓型面曲线，得到第一搜索区间；
[0016]步骤1.2，选取第一搜索区间的左、右端点以及中点附近的任意两点作为第一控制点，并基于内循环层得到各第一控制点对应的等效喉部面积；
[0017]步骤1.3，筛选出步骤1.2中等效喉部面积最小的第一控制点，并更新第一搜索区间，以该最小等效喉部面积对应的第一控制点左、右相邻的两个第一控制点作为第一搜索区间更新后的左、右端点；
[0018]步骤1.4，判断第一搜索区间是否达到收敛条件，若是则输出步骤1.2中最小的等效喉部面积作为对应阀门的等效喉部面积，否则返回步骤1.2。
[0019]在另一个实施例中，步骤1.3中，所述基于内循环层得到各第一控制点对应的等效喉部面积，具体为：
[0020]对于每一第一控制点，都有：
[0021]步骤2.1，根据烧蚀/沉积模型更新考虑烧蚀/沉积效应后的喷管型面曲线，得到第二搜索区间；
[0022]步骤2.2，选取第二搜索区间的左、右端点以及中点附近的任意两点作为第二控制点，并获取第一控制点与各第二控制点之间的等效喉部面积；
[0023]步骤2.3，筛选出步骤2.2中等效喉部面积最小的第二控制点，并更新第二搜索区间，以该最小等效喉部面积对应的第二控制点左、右相邻的两个第二控制点作为第二搜索区间更新后的左、右端点；
[0024]步骤2.4，判断第二搜索区间是否达到收敛条件，若是则输出步骤2.2中最小的等效喉部面积作为对应第一控制点的等效喉部面积，否则返回步骤2.2。
[0025]在另一个实施例中，步骤2.2中，所述获取第一控制点与各第二控制点之间的等效喉部面积，具体为：
[0026][0027]式中，A
ti
为等效喉部面积，f1(m,h
t
)与f2(n,x
i
,h
p
)分别为考虑烧蚀/沉积后喷管母线方程与喉栓母线方程，m为喷管上对应第二控制点的横坐标，h
t
为喷管喉部表面烧蚀/沉积物厚度，n为喉栓上对应第一控制点的横坐标，x
i
为喉栓顶点当前位移，h
p
为喉栓表面烧蚀/沉积物厚度。
[0028]与现有技术相比，本专利技术提供的一种考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法，具有如下有益技术效果：
[0029]1、考虑发动机燃烧过程中由于烧蚀/沉积效应造成的等效喉部面积变化，从而实现固体姿轨控发动机工作过程燃烧室压强精确、快速计算；
[0030]2、将喉栓与喷管两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法，其特征在于，包括如下步骤：建立考虑烧蚀/沉积影响后的固体姿轨控发动机零维内弹道计算模型；采用龙哥库塔法对固体姿轨控发动机零维内弹道计算模型进行迭代求解，得到考虑烧蚀/沉积影响后对应燃烧室的压强；其中，在每步龙格库塔法迭代前，基于喉栓位移及喷管、喉栓的烧蚀/沉积速率得到当前各阀门的等效喉部面积，并累加得到发动机的总等效喉部面积。2.根据权利要求1所述考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法，其特征在于，所述考虑烧蚀/沉积影响后的固体姿轨控发动机零维内弹道计算模型为：式中，p
c
是燃烧室压强，t是时间，Γ是比热比k的函数，c
*
是特征速度，V
c
是燃烧室自由容积，ρ
p
是推进剂密度，A
b
是装药的燃面面积，a是燃速系数，n是压强指数，A
t
是各阀门等效喉部面积之和，e是药柱肉厚，R是燃气的气体常数，T
f
是定压燃烧温度，k是比热比，A
ti
是单阀等效喉部面积，x
i
是喉栓位移，r
t
、r
p
分别是喷管喉部和喉栓的烧蚀/沉积量。3.根据权利要求1所述考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法，其特征在于，采用嵌套二分法得到当前各阀门的等效喉部面积，在单次等效喉部面积求解过程中分为外循环层与内循环层，其中，外循环层在喉栓型面曲线上进行二分法搜索，内循环层在喷管型面曲线上进行二分法搜索。4.根据权利要求3所述考虑烧蚀
‑
沉积的固体姿轨控发动机零维内弹道计算方法，其特征在于，所述外循环层的过程为：步骤1.1，获取当前喉栓位移位置，并根据烧蚀/沉积模型更新考虑烧蚀/沉积效应后的喉栓型面曲线，得到第一搜索区间；步骤1.2，选取第一搜索区间的左、右端点以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：武泽平，文谦，彭博，杨家伟，王鹏宇，王东辉，杨希祥，张为华，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：