关键词:
固体火箭发动机
燃面退移仿真
level set方法
横向过载
内弹道
摘要:
随着现代作战理念的不断更新迭代,对固体火箭动力系统的工作要求也越发严苛,为了能更好地满足作战需求,多种复杂药型推进剂或复杂燃烧形式的推进剂得到了更为广泛的应用,但上述复杂装药在燃烧过程中会出现多种拓扑变化,甚至在燃烧过程中出现多种不均等燃速燃烧现象,对发动机内弹道性能的精确预示提出了新的挑战。而精准的武器动力预示是精确制导的基本前提,在装药参数确定的情况下进一步修正药柱尺寸,获得所需的内弹道性能,才能更好配合制导系统以及推力矢量控制系统实现精准打击。因此,高精度装药燃面计算及内弹道计算是发动机性能预估的重要基础,也是发动机设计过程的重要依据。
对于上述出现的复杂工况要求,本文提出了一种针对复杂装药的燃面及内弹道计算方法,采用有限差分法离散求解level set方程,提取等值面信息,再与内弹道方程耦合求解,探究了在发动机工作过程中多种复杂燃面的面积变化及内弹道压强变化;将Greatrix燃速过载模型同本文提出的计算方法结合,考虑过载量级、过载时间等参数,深入分析了多种典型装药受不同横向过载后燃面及内弹道部分参数的变化;建立了发动机机动变向下的过载计算模型,进一步研析了在不同机动变向情况下内弹道受影响情况。主要研究包括:
(1)引入图像处理中的距离变换算法,通过对药柱进行体素化处理,分别采用ENO/WENO等多种高阶差分方法,对level set控制方程进行求解,并借助等截面装药与三维翼柱型装药对提出的计算方法进行验证,结果表明,高阶差分计算在部分情况下会引入一定误差,同时本文提出的燃面计算方法可以实现较高的计算精度,满足工程设计的需要。
(2)在求解level set方程的基础上,耦合零维及一维内弹道方程组,分别计算了翼柱型及星型装药的内弹道压强变化曲线,分析了准一维流动假设下的内弹道流动参数沿轴向的变化情况,与参考文献对比结果较好;将提出的计算方法集成为计算软件,编制了软件操作界面,更好地提高了工程设计效率。
(3)将Greatrix燃速过载模型嵌入内弹道计算过程,针对多种典型装药受横向过载的情况,求解不同方位角下的当地燃速,仿真计算了横向过载下的发动机内弹道压强变化,在此基础上分别研究了全程横向过载、短时横向过载、多次短时横向过载等多种工况下发动机装药燃面及内弹道的变化形式。
(4)建立了发动机机动变向过载计算模型,根据发动机在机动变向时受到沿轴向分布的不同量级过载,借助燃速过载模型,分别仿真分析了发动机在短时机动变向及多次短时机动变向时出现的复杂不等速燃烧造成的内弹道压强变化,结果表明,当进行多次同方向机动对发动机燃烧室压强会造成更大范围抬升,同时很大程度上延长了绝热层暴露时间,对壳体造成较大载荷,而多次不同方向的过载则会一定程度减少该影响。