航天器推进系统动态特性数值仿真与分析
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摘要
本文以某航天器推进系统的地面实验系统为研究对象,依据模块化建模与仿真的思想,建立了系统主要组件的动力学模型及系统仿真模型,对系统的动态特性和故障特性进行了仿真与分析。论文主要的研究内容如下:
建立了航天器推进系统主要组件的动力学模型;对模块化建模与仿真的方法进行了研究,提出了组件模块—系统模块—求解器模块三层仿真框架,该仿真框架对于系统动态特性仿真具有一定的通用性。
基于已建立的组件模型和所提出的仿真框架,对系统的动态过程进行了建模与仿真,重点研究了电磁阀开阀响应时间、开阀时序、关阀响应时间及燃烧效率、脉冲模式、推力器耦合工作等对系统动态特性的影响。在仿真计算及理论分析的基础上,提出了多管路协调分段原则,探讨了系统仿真积分步长的约束条件。
对航天器推进系统三种较常见的故障:贮箱压力故障、推进剂泄漏故障和推进剂管路堵塞故障进行了仿真计算,分析得到了三种故障的定性特征。
本文的数值仿真结果和分析得到的结论与理论分析及工程应用经验相一致,对推进系统的设计、改进具有一定的参考价值,也为进行推进系统的故障检测与诊断奠定了良好的基础。
In this thesis, the dynamic characteristics and the fault characteristics of a ground experimental system for a certain spacecraft propulsion system were investigated using numerical simulation method.
Firstly, the dynamics models of some main components for the experimental system are developed according to module-modeling and simulating method. The general simulation scheme which was consisted of component module, system module and solver module is proposed for system modeling and simulating.
Secondly, the dynamic characteristics of the system were simulated and studied. The emphases of research work were put on the effect analysis of key factors to system dynamic characteristics, which include solenoid valve acting response time, combustion efficiency of chamber, pulse mode of thrusters, coupling operation of multi-thrusters, and so on. Based on simulation and theoretical analysis, a principle of multi-pipes subsection and constraint condition of integral step size in simulating computation was proposed.
Finally, the characteristics of three common faults for spacecraft propulsion including propellant tank pressure fault, propellant leak and pipe blocked were simulated. Some qualitative features of three kinds of faults were obtained.
The results of numerical simulation consist with ones of theoretic analysis and engineering practice. Meanwhile, it shows that the thesis' work and results are not only available for the designing and improving of spacecraft propulsion system, but also provide a good base for fault detection and diagnoses of the propulsion system.
建立了航天器推进系统主要组件的动力学模型;对模块化建模与仿真的方法进行了研究,提出了组件模块—系统模块—求解器模块三层仿真框架,该仿真框架对于系统动态特性仿真具有一定的通用性。
基于已建立的组件模型和所提出的仿真框架,对系统的动态过程进行了建模与仿真,重点研究了电磁阀开阀响应时间、开阀时序、关阀响应时间及燃烧效率、脉冲模式、推力器耦合工作等对系统动态特性的影响。在仿真计算及理论分析的基础上,提出了多管路协调分段原则,探讨了系统仿真积分步长的约束条件。
对航天器推进系统三种较常见的故障:贮箱压力故障、推进剂泄漏故障和推进剂管路堵塞故障进行了仿真计算,分析得到了三种故障的定性特征。
本文的数值仿真结果和分析得到的结论与理论分析及工程应用经验相一致,对推进系统的设计、改进具有一定的参考价值,也为进行推进系统的故障检测与诊断奠定了良好的基础。
In this thesis, the dynamic characteristics and the fault characteristics of a ground experimental system for a certain spacecraft propulsion system were investigated using numerical simulation method.
Firstly, the dynamics models of some main components for the experimental system are developed according to module-modeling and simulating method. The general simulation scheme which was consisted of component module, system module and solver module is proposed for system modeling and simulating.
Secondly, the dynamic characteristics of the system were simulated and studied. The emphases of research work were put on the effect analysis of key factors to system dynamic characteristics, which include solenoid valve acting response time, combustion efficiency of chamber, pulse mode of thrusters, coupling operation of multi-thrusters, and so on. Based on simulation and theoretical analysis, a principle of multi-pipes subsection and constraint condition of integral step size in simulating computation was proposed.
Finally, the characteristics of three common faults for spacecraft propulsion including propellant tank pressure fault, propellant leak and pipe blocked were simulated. Some qualitative features of three kinds of faults were obtained.
The results of numerical simulation consist with ones of theoretic analysis and engineering practice. Meanwhile, it shows that the thesis' work and results are not only available for the designing and improving of spacecraft propulsion system, but also provide a good base for fault detection and diagnoses of the propulsion system.
引文
[1]张育林,吴建军等.航天器[M].北京:国防工业出版社,2006
[2]戚发轫.载人航天器技术[M].北京:国防工业出版社,2003
[3]FrankS,RonaldA,Johannes.In-SpacePropulsion.AIAA2003-2588
[4]Johnson L,Alexander L,Bagger R M,et al.NASA's In-Space Propulsion Technology Program:Overview and Update.AIAA 2004-3841
[5]朱宁昌,刘国球等.液体火箭发动机设计(下)[M].北京:宇航出版社,1994
[6]Huzel D K等.液体火箭发动机现代工程设计[Z].朱宁昌等译.北京:中国宇航出版社,2004
[7]黄敏超,胡小平,吴建军等.空间科学与工程引论[M].长沙:国防科技大学出版社,2006
[8]B.Φ.格列克曼.液体火箭发动机自动调节[Z].顾明初,郁明桂,邱明煜,译.北京:宇航出版社,1995
[9]曹泰岳.火箭发动机动力学[M].长沙:国防科学技术大学出版社.2004
[10]M P Binder.A Transient Model of the RL10A-3-3A Rocket Engine[R].AIAA 95-2968
[11]黄敏超,王新建,王楠.补燃循环液体火箭发动机启动过程的模块化仿真[J].推进技术,2001,22(2)
[12]魏鹏飞,吴建军,刘洪刚等.液体火箭发动机一种通用模块化仿真方法[J].推进技术,2005,26(2)
[13]刘红军.YF-20发动机起动过渡特性研究[D].航天工业总公司第十一研究所,1991
[14]吕鹏翱.液体火箭发动机:L作过程数值仿真[J].火箭推进,2004,30(5)
[15]蔡亦钢.流体传输管道动力学[M].浙江:浙江大学出版社,1990
[16]刘昆.分级燃烧循环液氧/液氡发动机系统分布参数模型与通用仿真研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,1999
[17]Dynamics ofPropellant Feedline System[R].AD-Al 84864,1988
[18]王克昌.流体火箭发动机瞬变过程的计算机模拟[J].宇航学报,1981,2(1)
[19]王珏.YF-73氢氧发动机起动过程分析[D].航天工业总公司第十一研究所,1990
[20]沈赤兵.液体火箭发动机静特性与响应特性研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,1997
[21]程谋森.推进剂供应管路充填过程研究[J].推进技术,1997
[22]黎勤武,张为华,王振国等.空间发动机系统关机过程水击现象理论分析[J].推进技术,1998,19(3)
[23]程谋森,张育林,姜春林等.航天器推进系统管道充填过程动态特性(Ⅰ)理论模型与仿真结果[J].推进技术,2000,2l(3)
[24]Pricatt R P,Mayer E,Hermel J.Water hammer in a spacecraft propellant feed system[J].Journal of Propulsion and Power,1992,8(3)
[25]J.Molinsky.Water Hammer Test of the Seastar Hydrazine Propulsion System{J].AIAA-97-3226
[26]I.Gibek,Y.Maisonneuve.Waterhammer Tests With Real Propellants.AIAA 2005-4081
[27]K.L.Yaggy.Analysis of Propellant Flow into Evacuated and Pressurized Lines[J].AIAA-84-1346
[28]Joh C-Y,Park K-D.Pressure Surge Analysis and Reduction in the Kompast Propellant Feed System[J].Proc.Second European Spacecraft Propulsion Conference,1997
[29]J.Pyotsia.A Mathematica Model of a Control Valve[J].PB92-141951
[30]D.T.哈杰,F.H.里尔登.液体推进剂火箭发动机不稳定燃烧[M].长沙:国防工业出版社,1980
[31]Benstsman J,Pearlstein A J,Wilcutts M A.Control Oriented Modeling of Combustion and Flow Processes in Liquid Propellant Rocket Engines[J].AIAA-90-1877
[32]沈赤兵等.燃烧时滞对小推力高室压动力系统响应特性的影响[J].航空动力学报,1997
[33]谭建国.三组元液体火箭发动机系统设计与动态特性研究[D].长沙:国防科技大学研究生院,2003,10
[34]D.W.Lankford,M.A.Simmons,B.D.Heikkinen.A Detailed Numberical Simulation of a Liquid Propellant Rocket Engine Ground Test Experiment.AIAA-92-3604
[35]王迪琦,译.液体火箭发动机试验研制的理论基石:l;[z].北京:国防工业出版社,1978
[36]华棣,顾明初,译.火箭发动机可靠性理论基础[Z].北京:国防工业出版社,1977
[37]吴建军.液体火箭发动机故障检测与诊断研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,1995
[38]殷谦,张金容.液体火箭发动机故障模式及分析[J].推进技术,1997,18(1)
[39]杨尔辅.液体火箭推进系统状态监控和故障诊断正反问题与算法研究[D].北京:北京航空航天大学,1999
[40]张青松,张振鹏,杨雪等.液体火箭发动机试验台气液管路系统故障仿真与分析[J].航空动力学报,2006,21(2)
[41]王建波,于达仁,王广雄.液体火箭发动机泄漏故障实时仿真[J].推进技术,1999,20(5)
[42]蔡益飞.某液体火箭发动机故障仿真分析[J].上海航天,2004,5
[43]J.R.Mason,R.D.Southwick.Large Liquid Rocket Engine Transient Performance Simulation System.N91-24340,1989
[44]黄敏超.火箭发动机动态过程[内部讲义].国防科学技术大学航天与木料工程学院,2001
[45]李家文,张黎辉,张振鹏.液体火箭发动机数值模拟的计算模型建立方法[J].推进技术,2002,23(5)
[46]李家文,郑安豫.液体火箭发动机稳态特性仿真软件的改进[J].航空动力学报,2007,22(7)
[47]樊忠泽,黄敏超,余勇等.空问推进系统工作过程的模块化建模[J].国防科技大学学报,2007,29(2)
[48]梁德旺.流体力学基础[M].北京:航空工业出版社,1998
[49]方清华.圆形直管湍流光滑区的摩擦因数计算[J].管道技术与设备,2005,(3)
[50]方清华.圆形直管湍流粗糙区的摩擦因数计算[J].管道技术与设备,2005,(4)
[51]Bjarlle Stroustrup.C++程序设计语言(特别版)[Z].裘宗燕,译.机械工业出版社,2002
[52]Todd Veldhuizen.Techniques for Scientific C++[R].Indiana University Computer Science Technical Report #542,2000
[53]H.William.C++数值算法[Z].胡健伟,赵志勇,薛运华,译.北京:电子工业出版社,2005
[54]《现代应用数学手册》编委会编.现代应用数学手册:计算与数值分析分册[M].北京:清华大学出版社,2005
[55]张家荣,赵廷元.工程常用物质的热物理性质手册[M].北京:新时代出版社,1987
[56]B.克特,D.S.埃佛雷德.火箭推进剂手册[Z].张清,泽.北京:国防工业出版社,1964
[57]邢耀国,译.流体火箭发动机及其供给系统动力学[Z].海军航空工程学院,1988
[58]郭晓峰.液体火箭发动机试验[M].北京:宇航出版社,1990
[59]A.S.Yang,T.C.Kuo.Numerical Simulation for the Satellite Hydrazine Propulsion System.AIAA 2001-3829
[60]Michael P.J.Benfield,Jeremy A.Belcher.Modeling of Spacecraft Advanced Chemical Propulsion Systems.AIAA 2004-4195
[61]聂万胜,陈新华,赵文涛等.姿控发动机脉冲工作的管路瞬变特性[J].国防科技大学学报,2002,24(1)
[62]聂万胜,陈新华,戴德海等.姿控推进系统发动机关机的管路瞬变特性[J].推进技术,2003,24(1)
[63]张黎辉,李家文,张雪梅等.航天器推进系统发动机动态特性研究[J].航空动力学报,2004,19(4)
[64]薛科,张黎辉,苏龙斐等.卫星推进系统真空充填过程数值仿真[J].航空动力学报,2007,22(2)
[65]袁磊,周红玲,孙冰.卫星单元肼推进系统落压工作特性的数值仿真与试验[J].上海航天,2007,(2)
[66]张纯良.航天器推进系统故障检测与诊断技术研究[D].北京:北京航空航天大学研究生院,2002
[2]戚发轫.载人航天器技术[M].北京:国防工业出版社,2003
[3]FrankS,RonaldA,Johannes.In-SpacePropulsion.AIAA2003-2588
[4]Johnson L,Alexander L,Bagger R M,et al.NASA's In-Space Propulsion Technology Program:Overview and Update.AIAA 2004-3841
[5]朱宁昌,刘国球等.液体火箭发动机设计(下)[M].北京:宇航出版社,1994
[6]Huzel D K等.液体火箭发动机现代工程设计[Z].朱宁昌等译.北京:中国宇航出版社,2004
[7]黄敏超,胡小平,吴建军等.空间科学与工程引论[M].长沙:国防科技大学出版社,2006
[8]B.Φ.格列克曼.液体火箭发动机自动调节[Z].顾明初,郁明桂,邱明煜,译.北京:宇航出版社,1995
[9]曹泰岳.火箭发动机动力学[M].长沙:国防科学技术大学出版社.2004
[10]M P Binder.A Transient Model of the RL10A-3-3A Rocket Engine[R].AIAA 95-2968
[11]黄敏超,王新建,王楠.补燃循环液体火箭发动机启动过程的模块化仿真[J].推进技术,2001,22(2)
[12]魏鹏飞,吴建军,刘洪刚等.液体火箭发动机一种通用模块化仿真方法[J].推进技术,2005,26(2)
[13]刘红军.YF-20发动机起动过渡特性研究[D].航天工业总公司第十一研究所,1991
[14]吕鹏翱.液体火箭发动机:L作过程数值仿真[J].火箭推进,2004,30(5)
[15]蔡亦钢.流体传输管道动力学[M].浙江:浙江大学出版社,1990
[16]刘昆.分级燃烧循环液氧/液氡发动机系统分布参数模型与通用仿真研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,1999
[17]Dynamics ofPropellant Feedline System[R].AD-Al 84864,1988
[18]王克昌.流体火箭发动机瞬变过程的计算机模拟[J].宇航学报,1981,2(1)
[19]王珏.YF-73氢氧发动机起动过程分析[D].航天工业总公司第十一研究所,1990
[20]沈赤兵.液体火箭发动机静特性与响应特性研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,1997
[21]程谋森.推进剂供应管路充填过程研究[J].推进技术,1997
[22]黎勤武,张为华,王振国等.空间发动机系统关机过程水击现象理论分析[J].推进技术,1998,19(3)
[23]程谋森,张育林,姜春林等.航天器推进系统管道充填过程动态特性(Ⅰ)理论模型与仿真结果[J].推进技术,2000,2l(3)
[24]Pricatt R P,Mayer E,Hermel J.Water hammer in a spacecraft propellant feed system[J].Journal of Propulsion and Power,1992,8(3)
[25]J.Molinsky.Water Hammer Test of the Seastar Hydrazine Propulsion System{J].AIAA-97-3226
[26]I.Gibek,Y.Maisonneuve.Waterhammer Tests With Real Propellants.AIAA 2005-4081
[27]K.L.Yaggy.Analysis of Propellant Flow into Evacuated and Pressurized Lines[J].AIAA-84-1346
[28]Joh C-Y,Park K-D.Pressure Surge Analysis and Reduction in the Kompast Propellant Feed System[J].Proc.Second European Spacecraft Propulsion Conference,1997
[29]J.Pyotsia.A Mathematica Model of a Control Valve[J].PB92-141951
[30]D.T.哈杰,F.H.里尔登.液体推进剂火箭发动机不稳定燃烧[M].长沙:国防工业出版社,1980
[31]Benstsman J,Pearlstein A J,Wilcutts M A.Control Oriented Modeling of Combustion and Flow Processes in Liquid Propellant Rocket Engines[J].AIAA-90-1877
[32]沈赤兵等.燃烧时滞对小推力高室压动力系统响应特性的影响[J].航空动力学报,1997
[33]谭建国.三组元液体火箭发动机系统设计与动态特性研究[D].长沙:国防科技大学研究生院,2003,10
[34]D.W.Lankford,M.A.Simmons,B.D.Heikkinen.A Detailed Numberical Simulation of a Liquid Propellant Rocket Engine Ground Test Experiment.AIAA-92-3604
[35]王迪琦,译.液体火箭发动机试验研制的理论基石:l;[z].北京:国防工业出版社,1978
[36]华棣,顾明初,译.火箭发动机可靠性理论基础[Z].北京:国防工业出版社,1977
[37]吴建军.液体火箭发动机故障检测与诊断研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,1995
[38]殷谦,张金容.液体火箭发动机故障模式及分析[J].推进技术,1997,18(1)
[39]杨尔辅.液体火箭推进系统状态监控和故障诊断正反问题与算法研究[D].北京:北京航空航天大学,1999
[40]张青松,张振鹏,杨雪等.液体火箭发动机试验台气液管路系统故障仿真与分析[J].航空动力学报,2006,21(2)
[41]王建波,于达仁,王广雄.液体火箭发动机泄漏故障实时仿真[J].推进技术,1999,20(5)
[42]蔡益飞.某液体火箭发动机故障仿真分析[J].上海航天,2004,5
[43]J.R.Mason,R.D.Southwick.Large Liquid Rocket Engine Transient Performance Simulation System.N91-24340,1989
[44]黄敏超.火箭发动机动态过程[内部讲义].国防科学技术大学航天与木料工程学院,2001
[45]李家文,张黎辉,张振鹏.液体火箭发动机数值模拟的计算模型建立方法[J].推进技术,2002,23(5)
[46]李家文,郑安豫.液体火箭发动机稳态特性仿真软件的改进[J].航空动力学报,2007,22(7)
[47]樊忠泽,黄敏超,余勇等.空问推进系统工作过程的模块化建模[J].国防科技大学学报,2007,29(2)
[48]梁德旺.流体力学基础[M].北京:航空工业出版社,1998
[49]方清华.圆形直管湍流光滑区的摩擦因数计算[J].管道技术与设备,2005,(3)
[50]方清华.圆形直管湍流粗糙区的摩擦因数计算[J].管道技术与设备,2005,(4)
[51]Bjarlle Stroustrup.C++程序设计语言(特别版)[Z].裘宗燕,译.机械工业出版社,2002
[52]Todd Veldhuizen.Techniques for Scientific C++[R].Indiana University Computer Science Technical Report #542,2000
[53]H.William.C++数值算法[Z].胡健伟,赵志勇,薛运华,译.北京:电子工业出版社,2005
[54]《现代应用数学手册》编委会编.现代应用数学手册:计算与数值分析分册[M].北京:清华大学出版社,2005
[55]张家荣,赵廷元.工程常用物质的热物理性质手册[M].北京:新时代出版社,1987
[56]B.克特,D.S.埃佛雷德.火箭推进剂手册[Z].张清,泽.北京:国防工业出版社,1964
[57]邢耀国,译.流体火箭发动机及其供给系统动力学[Z].海军航空工程学院,1988
[58]郭晓峰.液体火箭发动机试验[M].北京:宇航出版社,1990
[59]A.S.Yang,T.C.Kuo.Numerical Simulation for the Satellite Hydrazine Propulsion System.AIAA 2001-3829
[60]Michael P.J.Benfield,Jeremy A.Belcher.Modeling of Spacecraft Advanced Chemical Propulsion Systems.AIAA 2004-4195
[61]聂万胜,陈新华,赵文涛等.姿控发动机脉冲工作的管路瞬变特性[J].国防科技大学学报,2002,24(1)
[62]聂万胜,陈新华,戴德海等.姿控推进系统发动机关机的管路瞬变特性[J].推进技术,2003,24(1)
[63]张黎辉,李家文,张雪梅等.航天器推进系统发动机动态特性研究[J].航空动力学报,2004,19(4)
[64]薛科,张黎辉,苏龙斐等.卫星推进系统真空充填过程数值仿真[J].航空动力学报,2007,22(2)
[65]袁磊,周红玲,孙冰.卫星单元肼推进系统落压工作特性的数值仿真与试验[J].上海航天,2007,(2)
[66]张纯良.航天器推进系统故障检测与诊断技术研究[D].北京:北京航空航天大学研究生院,2002