微小超高压冷气推进系统及其组件工作性能仿真研究

摘要

针对目前尚没有60MPa及以上储气压力下冷气推进系统工作性能的研究，本文提出对储气压力60MPa和120MPa下冷气推进系统工作性能的进行仿真研究。
　　本文的主要研究对象是某型号微小超高压冷气推进系统，通过数值模拟的方法对冷气推进系统及其关键部件压力调剂模块、电磁阀和喷嘴的工作性能展开仿真研究:
　　采用一维仿真软件Amesim对微小超高压冷气推进系统的整体工作性能进行仿真研究，通过对冷气推进系统各个部分的分别建模，建立了整个冷气推进系统的仿真模型。之后对冷气推进系统工作中的动态工作性能和稳态工作性能进行仿真研究，动态工作性能的仿真研究主要通过模拟得到了稳压腔内的压力变化过程、压力调剂模块入口的压力冲击响应、压力调剂模块的阀芯位移响应以及冷气推进系统的推力响应特性等参数，进而分析冷气推进系统的动态工作性能。稳态工作性能的仿真研究主要通过模拟得到了系统稳定工作时稳压腔和高压气瓶内的压力、温度变化规律，以此分析冷气推进系统的稳态工作性能。
　　压力调剂模块工作过程的仿真研究，主要使用CFX软件通过流固耦合的分析方法对压力调剂模块的填充过程、开机过程和关机过程进行研究，分析了压力调剂模块开度、稳压腔内的平均压力以及压力调剂模块内部压力、速度分布的变化规律，同时分析了入口压力、节流孔直径和弹簧预紧力对以上过程的影响规律，得到最优的参数配置。
　　推力器组件-电磁阀的工作性能研究主要使用电磁仿真软件Maxwell进行仿真分析，建立了电磁阀组件磁轭、线圈、衔铁的模型，主要分析了电磁阀的开关机响应特性，同时分析了驱动电压、衔铁行程、载荷和线圈匝数等参数对电磁阀开关机特性的影响规律。推力器组件-喷嘴的工作特性主要使用CFX软件进行仿真研究，通过变参数研究，得到不同的工作压力、气体温度、喷管形状和喷管扩张比对喷嘴输出推力的影响关系，并且通过编程控制衔铁的运动从而得到稳态工况和脉冲工况下的推力建立过程。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冷气推进系统的国内研究现状

1．2．2 冷气推进系统的国外研究现状

1．3 研究意义

1．4 论文的研究内容

2 微小超高压冷气推进系统工作性能的仿真研究

2．1 微小超高压冷气推进系统的结构及一维仿真模型的建立

2．2 冷气推进系统动态特性仿真计算

2．2．1 填充过程工作性能及仿真结果分析

2．2．2 开机过程工作性能及仿真结果分析

2．2．3 关机过程工作性能及仿真结果分析

2．3 冷气推进系统稳态特性仿真计算

2．3．1 气瓶性能仿真结果及分析

2．3．2 稳压腔性能仿真结果及分析

2．4 本章小结

3 压力调剂模块工作性能仿真研究

3．1 压力调剂模块仿真模型建立

3．2 流固耦合模型的建立

3．2．1 流体控制方程

3．2．2 固体控制方程

3．2．3 流固耦合交界面方程

3．2．4 双向流固耦合分析

3．3 填充过程工作性能的仿真研究

3．3．1 入口压力对填充过程工作性能的影响

3．3．2 节流孔直径对填充过程工作性能的影响

3．3．3 弹簧预紧力对填充过程工作性能的影响

3．4 开机过程工作性能的仿真研究

3．4．1 入口压力对开机过程工作性能的影响

3．4．2 节流孔直径对开机过程工作性能的影响

3．4．3 弹簧预紧力对开机过程工作性能的影响

3．5 关机过程工作性能的仿真研究

3．5．1 入口压力对关机过程工作性能的影响

3．5．2 节流孔直径对关机过程工作性能的影响

3．5．3 弹簧预紧力对关机过程工作性能的影响

3．6 本章小结

4 推力器组件-电磁阀工作性能的仿真研究

4．1 电磁阀仿真模型建立及其边界条件和初始条件的设定

4．2 电磁阀开关机响应特性的仿真研究

4．2．1 电磁阀开关机响应特性研究

4．2．2 驱动电压对电磁阀响应特性的影响

4．2．3 衔铁行程对电磁阀响应特性的影响

4．2．4 载荷对电磁阀响应特性的影响

4．2．5 线圈匝数对电磁阀响应特性的影响

4．3 本章小结

5 推力器组件．喷嘴工作性能的仿真研究

5．1 推力器组件-喷嘴的结构及仿真模型的建立

5．2 推力器喷嘴内流场流动特性的仿真研究

5．2．1 工作压力对喷嘴内流场流动特性的影响规律研究

5．2．2 气体温度对喷嘴内流场流动特性的影响规律研究

5．2．3 喷管形状对喷嘴内流场流动特性的影响规律研究

5．2．4 喷管扩张比对喷嘴内流场流动特性的影响规律研究

5．3 推力器组件推力建立过程的仿真研究

5．3．1 稳态工作模式下推力器组件推力建立过程仿真研究

5．3．2 脉冲工作模式下推力器组件推力建立过程仿真研究

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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