火箭发射动力学仿真不同理论方法的对比研究

介绍了牛顿－欧拉法及第一类拉格朗日方程法在火箭武器系统发射动力学仿真方面的应用，并对两种方法的仿真结果进行了对比分析。     

推进剂初始温度影响液体火箭发动机燃烧稳定性的数值模型

对自然推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）初始温度对火箭发动机燃烧稳定性的影响进行了研究，从推进剂初始温度对蒸发速率的影响规律出发，发展了初始温度大小影响蒸发速率的物理模型。燃烧流动过程应用圆柱坐标系下的两相湍流化学反应Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程来描述，控制方程是用限体积法在任意曲线坐标系下进行离散，计算采用ＴＭＭ方法生成的正交网格。完善了一种压力隐式算子分裂算法，使之应用到燃烧过程和不稳定燃烧中，提高了计算的精度和稳定性；以蒸发作为燃烧速率控制过程，由ＭＭＨ的分解蒸发速率来控制。用蒸发和分解的时滞来分析燃烧不稳定性。应用ＣＦＤ技术发展了评定燃烧稳定性的脉冲枪模型，之后对推进剂初始温度对燃烧稳定性的影响进行了数值研究，得到其对振荡的敏感分析，并给出燃烧稳定性的极限图，说明了该物理模型和算法的可靠性。     

液体火箭发动机喷注器不规则性的计算机模拟

本文提出了分析液体火箭发动机燃烧室中的三维两相反应流体的计算机模型。设计该模型是为了研究液体推进剂喷注的非均匀性对燃烧室中流态、燃烧和传热的影响。使用了用以描述多分散喷雾流动、蒸发和燃烧的欧拉-拉格朗日方法。考虑了相与相之间的偶合效应。利用了非正交的附体坐标系和守恒控制体公式。本文使用了 K-ε湍流模型、两步化学反应模型和六向辐射模型。利用半经验模型来描述化学反应速率及相与相之间的偶合项。本文旨在证实利用分析方法来预示在火箭发动机燃烧室中推进剂喷注的非均匀性对燃烧及传热的影响。结果说明该模型有希望应用于液体推进剂火箭发动机的综合模型。     

舰炮振动的刚柔耦合动力学分析

为研究舰炮射击过程中的振动特性,基于柔性多体动力学理论,采用第二类拉格朗日方法,建立了舰炮刚柔耦合多体动力学模型,推导了封闭形式的动力学方程表达式,给出了各种主要外力的处理方法,结合相关实验参数进行了数值仿真.仿真结果表明,考虑身管柔性变形的动力学模型与纯刚性模型相比更贴近于舰炮实际的发射情况;身管柔性变形影响弹丸飞出炮口的初始扰动,进而影响舰炮射击精度.该研究对于改善舰炮振动性能和提高射击精度具有参考价值.     

B-GAP基推进剂药浆流变特性和固化动力学研究

为了研究支化聚叠氮缩水甘油醚（B-GAP）基推进剂的流变特性和固化反应过程，采用流变学研究方法对药浆进行了测试，研究了在50，55，60 ℃和65 ℃下药浆粘度随剪切速率及其模量随时间的变化规律。研究结果表明：B-GAP基推进剂药浆具有剪切变稀特性，属于假塑性非牛顿流体；推进剂药浆固化反应速率随着固化反应的进行而增加，在固化度为0.3时达到最大值，之后反应速率开始减小直至为零；温度对于推进剂固化反应动力学有较大影响，在一定温度范围内，固化反应速率峰值随着温度的升高而增加，储能模量最大值随着温度的升高而减小；基于幂律方程和Arrhenius方程计算得到了B-GAP药浆的本构方程和固化反应动力学方程。     

考虑弹性效应的平面运动弹道方程

对考虑弹性效应的平面运动弹道进行了研究.以Euler-Bernoulli梁模型理论为基础.考虑了火箭箭体的分布质量、气动力,以及振动与位移之间的藕合关系,采用Hamilton原理推导了弹性火箭的平面运动动力学方程并进行弹道仿真.仿真结果表明,考虑弹性效应的影响,火箭弹道的高度和射程与刚体模型结果相比射程减小而射高增加,说明弹性效应的影响不可忽略.该文方法为高精度弹道分析提供了参考.     

基于最小二乘法的火箭姿控系统网络模型参数辨识

以多输入-多输出系统典范差分方程为基础，推导得到了运载火箭姿控系统网络模型差分方程，利用最小二乘法对模型差分方程的参数进行了辨识。     

卫星运载火箭成对固体火箭发动机推力不平衡的物理预测方法

本文介绍了固体火箭发动机压力与推力随时间变化的计算方法。这种方法考虑了推进剂燃烧速率可能的离散,离散对火箭成对助推器的推力不平衡有很大影响。未来卫星运载火箭阿里安5的成对助推器的初步设计方案之一是采用分段式固体火箭发动机。该方法及其统计分析用于生产药柱时分析和选择浇铸推进剂的最佳工艺。     

多飞行器自适应编队制导控制技术

利用拉格朗日方法推导了飞行器编队飞行的精确动力学模型,考虑了非线性项和J2项对飞行器编队模型精度的影响,利用自适应方法,在线评估J2摄动项对飞行器编队相对运动的影响。基于李雅普诺夫理论的非线性自适应控制,保障了在未知空间摄动影响下飞行器编队相对位置跟踪误差的全局渐近稳定。仿真结果显示:新的动力学模型能够准确描述飞行器编队飞行的相对运动。从而减少模型误差引起的燃料消耗。     

1/5缩尺H-Ⅱ运载火箭的振动试验

为预示日本最近设计的H-Ⅱ运载火箭的动力载荷,通过动态缩尺模型试验评价了预示方法的精度。为表示轴向、侧向(俯仰与偏航)和扭转振动之间的耦合效应,分析中采用了三维动力学模型。通过用边界元法考虑液体/贮箱的互相作用。设计了H-Ⅱ、运载火箭的1/5缩尺模型,用以模拟象芯级/固体火箭助推器(SRB)的连接、第一级和第二级液氧贮箱以及发动机安装结构这样一些主要结构部件的刚度和质量特性。试验运载火箭的模态激振是用100～1000牛顿力的激振器实现的,激振器提供随机的或正弦的激振办。用装在不同位置上的加速度计和压力传感器测量试验运载火箭的振动响应。在较低频率范围内,分析和试验之间的相关性一般是好的。迄令为止,分析的基本方法看来是合适的,但是,建议通过试验和分析的比较,对数学模拟做某些改善。     

火箭拖拽布撒网系统建模与动力学分析

布撒网系统利用火箭拖拽将网体布设至目标区域、完成雷区清障任务,研究其展开动力学过程,对系统设计有着重要的理论指导意义。基于刚体动力学及多体系统动力学中的集中质量方法,分别建立了火箭及柔性布撒网块的三维动力学模型,给出了系统动力学方程。利用4阶 Runge-Kutta法解算系统动力学方程,通过数值模拟计算分析了布撒网飞行布设准确性的影响参数。通过集中质量模型与多刚体模型对比,分析二者仿真结果中的火箭弹道、质心速度和俯仰角等关键动力学参数,研究了火箭拖拽布撒网系统的基本飞行动力学特性,得出集中质量模型的准确性更高。根据工程实际研制出火箭拖拽布撒网系统的试验样机,并完成了样机的场地飞行试验。结果表明：数值计算与试验结果吻合良好,系统布设到位率达到90%以上。     

固体火箭冲压发动机无喷管助推器性能分析

采用一维准定常方法,对整体式固体火箭冲压发动机的无喷管助推器内弹道进行了计算.计算结果表明,随着燃面的推移,燃烧室压强下降很快,而推力增大;助推器比冲偏低;对于高燃速固体推进剂,燃速沿通道降低,固体装药通道燃烧成先收缩再扩张的形状.     

柔性弹箭飞行力学建模研究

结合传统弹箭刚体飞行动力学理论,基于大运动弹性体浮动框架建模方法,采用混合坐标建立了飞行力学模型,该模型考虑了柔性弹箭惯量矩阵时变效应,通过小参数摄动法确定了柔性变形引起的空气动力变化.采用了合适的浮动框架--线性化Tisserand框架,使得浮动框架引出的约束方程自动满足,飞行力学求解由微分代数混合方程组化为微分方程组;通过分析变形运动方程,给出了在转速变化较慢的被动段时系统临界状态的条件和临界转速.     

一种火箭弹头体分离系统研究

根据火箭弹对头体分离系统的要求,结合火箭弹的结构特点,提出了活塞式燃气分离方案,设计了分离形式和电缆线断线方法,并进行了分离系统的性能试验.试验结果表明:该分离系统工作可靠,分离形式和电缆线断线的设计合理,抛射组件未出现明显变形.通过试验,还获得了相对分离速度和火药药量的关系.该分离系统可用于弹径较小、壳体壁厚较薄,且相对分离速度要求较高的火箭弹进行头体分离.     

抛索火箭平面运动弹道模型研究

抛索火箭的运动是变质量变结构变边界条件的复杂动力学问题。根据牛顿—欧拉方程,采用集中质量法建立了抛索火箭运动模型。将绳索离散为一系列质量集中在一点的单元,并假设绳索上所有的作用力都集中作用在集中质量点上。通过火箭运动方程、绳索各单元的运动方程、绳索间约束方程和边界条件,联立求解抛索火箭的运动方程。对抛索火箭进行了运动仿真,仿真结果与试验结果一致性较好。该运动弹道模型可以为工程设计提供理论指导。     

超音速单轨火箭滑橇气动特性数值模拟

基于三维粘性可压缩N-S方程以及k-ω湍流模型方程,分析了单火箭滑橇在超音速近地飞行时的气动特性.计算网格为三角形非结构网格和四边形结构网格组成的混合网格,采用有限体积法对微分方程进行离散,应用隐式耦合算法求解离散方程.数值模拟了速度及攻角变化对火箭滑橇气动特性的影响.结果表明,随着马赫数的增加,火箭弹头部表面压力升高;超音速飞行时,火箭弹头部产生激波;火箭滑橇阻力系数随着马赫数的增加,先增加后降低;在小的气动攻角条件下气动阻力和升力变化不大,而侧向力载荷随着气动功角的增加而增大.数值模拟结果为超音速单轨火箭滑橇设计提供了参考.     

膨胀波枪炮发射性性能若干影响因素的研究

膨胀波枪炮利用延时打开膛尾的方法实现了在不降低弹丸初速的前提下大幅度减小枪炮后坐的目的。提出了膨胀波枪炮发射过程的四阶段物理模型，采用准一维准两相流理论建立了膨胀波枪炮发射过程的动力学模型，以14.5 mm膨胀波弹道枪为例，计算并分析了膛尾打开时间、装药量、药室容积、身管长度、弹丸质量以及尾喷管长度、张角等参数对膨胀波枪炮的减后坐效率、弹丸初速等发射性能的影响规律，并提出了一种崭新的利用调节开尾时间来控制膨胀波枪炮初速和射速的技术方案。     

姿态稳定火箭弹射程散布的仿真研究

在主动段进行姿态稳定是提高远程火箭弹射击密集度的有效技术措施,实施了姿态稳定后,火箭弹的纵向散布仍然偏大．文中采用统计实验法,通过大量的弹道仿真对姿态稳定火箭弹的纵向散布特性进行研究,计算结果表明：总冲跳动和质量偏差是造成纵向散布的主要原因;主动段终点弹道倾角散布在大射角时对纵向散布影响小,在小射角时对纵向散布影响大;速度极小点参数比主动段终点参数与射程有更强的线性相关性．     

火箭橇试验加载技术研究

研究火箭橇加载技术对火箭橇试验的开展具有重要意义。采用四阶龙格-库塔法,根据固体火箭发动机的近似推力曲线和平均推力曲线以及空气动力学理论对固体火箭发动机驱动的火箭橇的整个运行过程进行了估算,获得了火箭橇在超音速运行过程的速度历程和位移变化情况,给出了橇车在轨道上运行的最大速度和出轨速度。估算结果与试验测试结果符合较好,说明以近似推力曲线计算的结果能比较准确地反映火箭橇的运行过程。     

惯性测量系统火箭橇试验图像测速方法

在惯性测量系统火箭橇试验中,目前主要采用雷达测量设备、遮光板时空测量装置测量橇体的运行位置和速度。火箭橇点火时,会产生高速度,强尾焰,大噪声和剧烈振动等外测条件,雷达测量设备、遮光板时空测量装置无法准确测量火箭橇运行的速度。为满足未来轨道延长和火箭橇多级点火越来越迫切的需求,提出火箭橇试验图像测速方法,弥补上述两种方法缺陷并提高速度测量的精度。研究了照片反求,特征点提取,速度噪声的频谱分析,橇体运行速度的计算值和平滑值,为惯性测量系统火箭橇试验提供高精度的位置速度变化模型。