一种固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估系统及方法

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机技术研究领域，具体涉及一种固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估系统及方法。

背景技术

大推力、远射程、高速高加速飞行是先进导弹的必要性能，也是固体火箭发动机的重要发展趋势。当巡航马赫数较大或飞行高度较高时，经常会出现不稳定燃烧现象。据统计，早期有50％以上的固体火箭发动机存在不同程度的不稳定燃烧问题。不稳定燃烧可以使燃烧室中的压强振荡幅值达到相当大的量级，使燃烧室压强和发动机推力发生不规则变化，发动机产生强烈的振动，在药柱表面形成振荡形的波纹或凹坑，燃烧室壳体温度发生异常性的升高，严重时会破坏推进剂装药，内弹道性能降低，甚至引起飞行失败。不稳定燃烧现象可简单分为非线性不稳定燃烧和线性不稳定燃烧，前者的影响因素过多，预估困难，因而应用较少，后者则对避免新研制的发动机发生线性不稳定燃烧或者处理发动机的线性不稳定燃烧问题具有相当的实用价值。工程上通常采用商业有限元软件进行发动机内腔的声模态计算，进而手动提取声振频率和振形；再通过三维建模软件，将声腔离散沿发动机轴向离散为若干部分，提取各部分的体积、面积等几何元素特征；最后通过自研程序将频率、振形与体积或面积做积分，计算得到线性增长常数的各个分量，用于预估发动机的线性燃烧稳定性。整个过程需要在多个软件间不断切换，且声模态仿真结果的提取和声腔的轴向离散都需要手动操作，投入的时间成本过高，降低了进行线性燃烧稳定性预估的效率。鉴于上述原因，本发明采用计算机编程技术开发了一种固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估软件，将燃烧稳定性预估过程封装为一套自动化流程，无需借助三维建模软件即可实现声腔几何模型离散，避免了多种软件之间的切换，极大提高了进行线性燃烧稳定性预估的工作效率，为固体火箭发动机的研发提供了重要的技术支撑。

目前，工程上主要采取商业有限元软件、三维建模软件和自研软件交替使用的方式手动计算线性增长常数，从而预估固体火箭发动机的线性燃烧稳定性。

采用现有技术对固体火箭发动机线性燃烧稳定性进行预估时存在的缺点如下：首先，手动计算方式的时间成本过高。设计师需要在商业软件和三维建模软件中逐点查询声模态的计算结果和几何元素特征，并在Excel中进行记录，整个过程耗时过长；其次，手动计算方式的精度难以保证。在对声腔进行轴向离散时，离散种子数越多，则后续的积分结果越接近于实际值，手动方式的离散种子数通常都不会高于20，而采用自动化的方式则可以轻易地达到100以上，相应的计算精度也会提高；再次，多软件的切换使用不便，且会引入随机误差。若采用手动计算的方式，往往需要在商业仿真软件、三维建模软件、表格软件和自研软件之间反复切换，用户友好度较低，且数据在查询、记录、传递等过程中均有可能产生随机误差；最后，由于缺少相对便捷且准确的预估方法，设计师在进行方案论证时，为了保证固体火箭发动机的燃烧稳定性，不得不人为地将设计裕量加大，从而保证结构的安全性和可靠性，但这样又会降低发动机整体的性能。综上所述，该项技术瓶颈已经成为制约发动机研发水平有效提升的关键因素之一了。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明提供一种固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估系统，以解决手动计算方式的时间成本过高且精度难以保证的问题；及多软件切换不便且会引入随机误差的问题。

为解决技术问题采用的技术方案

一种固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估系统，包括：

声模态计算模块，用户需输入用于离散声腔的轴向网格数、燃烧室声速、燃气平均密度、几何操作容差、待提取的模态阶数以及初始的计算频率；

燃面范围定义模块，用户需给定燃面的序号、燃面的起点轴向坐标和终点轴向坐标，燃面的数量不限；

相关参数输入模块，用户需输入压强响应函数、燃面法向马赫数、喷管入口半径、喷管入口马赫数、喷管入口坐标、喷管入口导纳、喷管喉部半径、声腔平均半径、普朗特数、燃气比热比、燃气比热容、燃气动力粘性系数、粒子密度、粒子比热容、粒子半径和推进剂中铝粉的质量分数等参数；

线性增长常数求解模块，用户可以计算包括燃面增益、喷管阻尼、微粒阻尼和壁面阻尼在内的线性增长常数分量，用于评估固体火箭发动机的线性燃烧稳定性。

进一步地，固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估软件进行稳定性预估的方法，包括如下步骤：

S1：首先启动软件，进入软件主界面，通过“配置”菜单配置ANSYS软件的安装目录；

S2：通过“文件”菜单设置工作目录，并导入发动机声腔的几何模型；

S3：进入声模态计算模块，按要求输入模块功能区内的所有参数，点击“保存”按钮，软件会自动生成三维声模态仿真模型；点击“网格”按钮，可以进入到商业有限元软件中，用户可以手动完成网格划分并保存；点击“计算模态”按钮，则软件自动开始计算，点击提取结果按钮，则软件自动按要求提取频率和声振形；

S4：进入燃面范围定义模块，用户需给定燃面序号、燃面的起点轴向坐标和终点轴向坐标，序号的初始值为1，以后依次按顺序加1；

S5：进入相关参数输入模块，用户需要给定进行线性增长常数计算所需的所有相关参数，各参数的单位均为国际单位制；

S6：进入线性增长常数求解模块，点击“计算α”按钮，软件自动计算发动机的线性增长常数，并根据线性增长常数预估发动机的线性燃烧稳定性，点击“生成报告”按钮，软件会将计算结果以文本形式保存到工作目录中。

有益效果

本发明通过对声模态仿真和线性增长常数计算的组件化封装，将传统的手动离散声腔几何模型转化为自动化方式，无需借助三维建模软件即可提取几何元素特征，提高了处理效率；此外，本发明将声模态计算、燃面范围定义和线性增长常数求解等步骤串联起来，使得各个步骤间的数据流传递完全依靠计算机自动完成，避免了多个软件之间的反复切换，大幅提高了进行线性燃烧稳定性预估的工作效率和预估精度，实现了固体火箭发动机线性燃烧稳定性的快速、高精度预估。

附图说明

图1：固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估软件总体框架；

图2：固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估软件主界面；

图3：声模态计算模块界面；

图4：燃面范围定义模块界面；

图5：相关参数输入模块界面；

图6：线性增长常数求解模块界面；

图7：计算声模态；

图8：定义燃面范围；

图9：输入相关参数；

图10：计算线性增长常数；

图11：声模态计算结果；

图12：线性增长常数计算报告。

具体实施方式

下面结合附图及本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部所得实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估软件系统总体框架。软件系统架构主要分为三个层次：技术支撑层、软件系统界面层和业务应用层。技术支撑层是软件系统运行的底层技术原理；软件系统界面层是用户可直接操作的软件系统主要模块；业务应用层是已经封装好的固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估处理流程。

如图2所示，固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估软件系统主界面。该界面顶部为菜单栏，包括声模态计算模块、燃面范围定义模块、相关参数输入模块和线性增长常数求解模块等四个主要模块的入口，以及文件、配置和帮助等几个基本功能菜单，界面的其他区域为各个模块的功能区。

如图3所示，声模态计算模块界面。在该界面中，用户需输入用于离散声腔的轴向网格数、燃烧室声速、燃气平均密度、几何操作容差、待提取的模态阶数以及初始的计算频率。软件系统底层会将输入信息自动地转化为ANSYS可识别的APDL命令，借助ANSYS软件进行几何轴向切割，将声腔模型沿轴向离散为若干个单元，进而获得每个轴向计算单元的体积和表面积等，并采用FLUID30单元进行声腔模态计算和振形结果提取。

如图4所示，燃面范围定义模块界面。在该界面中，用户需给定燃面的序号、燃面的起点轴向坐标和终点轴向坐标，燃面的数量不限。软件系统自动记录所有燃面的序号和坐标信息，并保存在本模块的表格中，作为燃面增益系数计算的输入。

如图5所示，相关参数输入模块界面。在该界面中，用户需输入压强响应函数、燃面法向马赫数、喷管入口半径、喷管入口马赫数、喷管入口坐标、喷管入口导纳、喷管喉部半径、声腔平均半径、普朗特数、燃气比热比、燃气比热容、燃气动力粘性系数、粒子密度、粒子比热容、粒子半径和推进剂中铝粉的质量分数，共16个参数。

如图6所示，线性增长常数求解模块。在该界面中，用户可以计算包括燃面增益、喷管阻尼、微粒阻尼和壁面阻尼在内的线性增长常数分量，用于评估固体火箭发动机的线性燃烧稳定性。

其中，燃面增益系数可表示为：

式中，

式中，

喷管阻尼系数可表示为：

式中，M

微粒阻尼系数可表示为：

式中，Al％为推进剂中铝粉的质量分数，ω为角频率；

其中，c

工程上对壁面损失的预估可表示为：

其中：

其中λ

具体实施时，①首先启动软件系统，进入软件系统主界面，通过“配置”菜单配置ANSYS软件的安装目录；②通过“文件”菜单设置工作目录，并导入发动机声腔的几何模型；③进入声模态计算模块，按要求输入模块功能区内的所有参数，点击“保存”按钮，软件系统会自动生成三维声模态仿真模型；点击“网格”按钮，可以进入到商业有限元软件中，用户可以手动完成网格划分并保存；点击“计算模态”按钮，则软件系统自动开始计算，点击提取结果按钮，则软件系统自动按要求提取频率和声振形；④进入燃面范围定义模块，用户需给定燃面序号、燃面的起点轴向坐标和终点轴向坐标，序号的初始值为1，以后依次按顺序加1；⑤进入相关参数输入模块，用户需要给定进行线性增长常数计算所需的所有相关参数，各参数的单位均为国际单位制；⑥进入线性增长常数求解模块，点击“计算α”按钮，软件系统自动计算发动机的线性增长常数，并根据线性增长常数预估发动机的线性燃烧稳定性，点击“生成报告”按钮，软件系统会将计算结果以文本形式保存到工作目录中。

以某型固体火箭发动机线性燃烧稳定性预估为例。第一步，启动软件系统；第二步，设置工作目录，导入发动机声腔几何模型，进入声模态计算模块，填写模块界面中的参数，计算并提取声模态结果，见图7；第三步，进入燃面范围定义模块，输入燃面的序号及坐标信息，见图8；第四步，进入相关参数输入模块，填写模块界面中的参数，见图9；第五步，进入线性增长常数求解模块，计算线性增长常数及各项分量，见图10；保存的声模态计算结果及线性增长常数计算报告见图11，图12。