【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及飛行器發動機設計，特別是涉及大型單室雙推固體發動機性能尋優方法。
技術介紹
1、固體火箭發動機是在導彈、火箭中廣泛應用的動力系統，大尺寸單室雙推力固體發動機是中遠程火箭彈發動機的優選動力方案，有助于火箭彈總體性能的提升。發動機設計方案關系著火箭彈發射性能、飛行穩定性和射程的提升，是中大口徑發動機設計的難點和關鍵問題。
2、目前國內外的發動機優化設計方法研究多針對發動機質量比、總沖等單變量優化展開，對于與火箭彈主動段工作特性等多目標綜合尋優方法的研究較少，未見大尺寸單室雙推力固體發動機性能多目標尋優方法。
技術實現思路
1、為了克服現有技術的不足，本專利技術提供一種基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，解決大尺寸單室雙推力固體發動機性能多目標尋優設計，根據優化模型及發動機設計約束條件，開展多目標尋優，確定在約束條件下的大尺寸單室雙推力固體發動機設計。本專利技術包括四個步驟：發動機初始方案設計，構建優化模型，確定優化目標并各自尋優，評估確定最終優化方案，根據單目標尋優獲取候選解集，并采用層次分析、加權分析等分析評估方法確定最優值，實現高性能單室雙推力發動機方案設計。
2、本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案包括如下步驟：
3、步驟1：發動機初始方案設計：進行發動機外形尺寸、結構方案、裝藥和內彈道方案的設計；
4、根據發動機總沖及工作時間要求完成裝藥藥型、推進劑性能和內彈道方案設計；
5、根據發動
6、根據內彈道設計結果和工作時間要求，完成噴管組件和熱防護方案設計，設計完成的發動機初始外形方案如圖2所示；
7、步驟2：構建優化模型：用于建立在性能、尺寸、重量約束下的優化算法，根據質量比最高、總沖最高、外彈道匹配射程最遠的優化目標，結合優化權重，采用線性加權算法；
8、步驟3：確定優化目標并各自尋優：獲得多個目標的單變量優化候選解集，滿足總沖最高條件下的裝藥方案和推進劑性能選取集、喉徑選取和擴張比方案集；
9、步驟4：評估確定最終優化方案：分析各優化目標權重，綜合分析評價獲得兼顧客觀和合理性的最終優化設計方案。
10、所述步驟1的具體步驟為：
11、步驟1.1：裝藥和內彈道設計；
12、裝藥設計應在滿足總體對發動機的彈道指標要求的前提下，提高裝藥的裝填密度，一方面選用管槽、翼柱、星孔的成熟藥型方案，降低裝藥的工藝復雜性和研制成本，另一方面選取裝填系數，提高裝藥的寬溫環境適應性，在此基礎上優化藥柱結構與推進劑性能，確定藥型方案；
13、裝藥設計完成后，根據平行層推移原理進行內彈道預估，按零維定常發動機內彈道微分方程計算，計算公式如下：
14、
15、式中：－燃氣的質量生成率(kg/s)；ka－燃速修正系數；a－計算溫度的燃速；pc－燃燒室壓力，n-壓強指數；ab－裝藥燃燒面積；ρp－推進劑密度；σp－燃速溫度敏感系數(1/k)；t－計算溫度；t0－參考溫度；ηc－推進劑的特征速度系數；rg－燃氣的氣體常數；tg－燃氣的燃燒溫度；vc－為燃燒室空腔自由容積；ηp－為噴管流動總壓恢復系數；at－喉部面積；c*－推進劑特征速度m/s；－噴管的流量修正系數；
16、根據公式(1)和公式(2)，結合藥柱與推進劑性能參數，計算得到燃燒室工作壓力pc，喉道面積at，擴張比ξ，工作時間、兩級工作時間比、發動機總沖及兩級沖量比，作為優化設計基礎參數；
17、步驟1.2：殼體設計；
18、用第四強度理論計算殼體壁厚，確定燃燒室殼體壁厚δmin：
19、
20、其中，為壓強波動系數；ξ為焊縫強度系數；di為圓筒的內徑；pmax為最大工作壓強；[σ]為材料的許用應力，[σ]＝σb/nb，該發動機得到殼體壁厚δmin,同時根據外形及重量要求，完成燃燒室殼體長度和詳細結構設計，獲得殼體重量設計參數，作為優化設計基礎參數；
21、步驟1.3：噴管設計
22、基于計算得到的喉道面積at和擴張比，噴管設計完成噴管的氣動設計和熱防護設計；
23、氣動設計是收斂段、喉部和擴散段三部分的形狀參數，使噴管具有更高的效率；噴管氣動設計保證型面的連續，采用入口段圓弧及直線相切連接的形式，避免由于型面不連續造成的壓縮波、激波存在；喉部下游設計，為擴張段的擴張半角選擇，以減少型面造成的突擴損失，在滿足喉徑、出口直徑、外形尺寸約束條件下，完成噴管內型面設計；
24、其中喉道直徑為：
25、
26、出口直徑為：
27、de＝dtξ0.5
28、結合設計得到的發動機工作壓力和工作時間，完成噴管熱防護結構的設計，得到設計參數噴管重量、長度和擴張半角，作為優化設計基礎參數；
29、所述步驟2構建優化模型的具體步驟為：
30、在性能和尺寸的約束條件下，結合設計使用需求確立發動機質量比、總沖、飛行器射程三個優化目標，確定各自優化目標的最小二乘損失函數，使各獨立優化目標收斂到最優參數；
31、研究對象大尺寸單室雙推力固體發動機方案，或單室大推力發動機方案，優化參數包括前序計算獲得的發動機燃燒室壓力pc、喉部面積at、燃燒室殼體壁厚δmin、擴張比ξ、工作時間t、兩級工作時間比、發動機總沖及兩級沖量比、噴管重量、噴管長度和擴張半角；
32、采用線性加權法，以飛行器射程最遠為優化目標，進行加權，表示為：
33、
34、s.t.g(x)≥0,i∈[1,m]
35、hj(x)＝0,j∈[1,l]
36、通過線性加權算法，將多目標優化轉化成更易實現的單目標優化問題模型。
37、所述步驟3的具體步驟為：
38、對優化目標權重進行差異化設置，以射程最優為主目標時，將射程優化權重設置為0.6，質量比和總沖設置為0.2，進行主優化目標的優化，在發動機工作壓力、工作時間約束條件下，挑選最優的結果作為候選解集，獲取多個候選方案。
39、所述步驟4中，評估確定最終優化方案的步驟為：
40、對獲取的候選目標方案中主目標函數值進行評估，綜合分析評價在主目標(射程)最優條件下，發動機裝藥和內彈道方案、殼體方案、噴管方案的工程可實現性，獲取符合優化預期，滿足使用需求、具備工程實現能力的最終方案。
41、本專利技術的有益效果在于本專利技術提供的基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，解決了中遠程火箭彈固體動力的多目標優化設計難題。實現在多約束條件下，大尺寸單室雙推力固體發動機優化設計，顯著提升發動機及火箭彈的總體性能。某大尺寸發動機采用金屬結構、復合推進劑裝藥、固定式復合噴管方案，論證過程中，采用本優化方法，實現了在保證發動機外形尺寸相同、重量基本不變的情況下，發動機質本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，其特征在于包括下述步驟：
2.根據權利要求1所述的基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，其特征在于：
3.根據權利要求1所述的基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，其特征在于：
4.根據權利要求1所述的基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，其特征在于：
5.根據權利要求1所述的基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，其特征在于：
【技術特征摘要】
1.一種基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，其特征在于包括下述步驟：
2.根據權利要求1所述的基于多目標優化的大型單室雙推固體發動機性能尋優方法，其特征在于：
3.根據權利要求1所述的基于多目標優化的大型單...
【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧恒，李志浩，潘成剛，劉明喜，嚴鷗鵬，黨進峰，井立峰，張楠，王紹增，李昊，
申請(專利權)人：西安現代控制技術研究所，
類型：發明
國別省市：
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