一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法

摘要

本发明公开了一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，包括：步骤1，获取待匹配设计的推力时间曲线，并将其按时间步长均匀离散，得到每一时间点上的需求推力；步骤2，判断当前喷管喉径与喉栓直径的尺寸设计是否满足推力的需求，若是则直接进入步骤3，否则更新喷管喉径和/或喉栓直径的尺寸设计直至满足推力的需求进入步骤3；步骤3，基于最小可调推力与最大可调推力采用二分法得到每一时间点的喉栓位置，实现喉栓运动方案匹配设计。实现推力调节能力和喉栓运动方案的一体化设计，给出推力需求下的喉栓运动方案，根据推力需求对喉径和喉栓直径进行调整，提升推力调节能力，实现喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机推力匹配设计技术领域，具体是一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法。

背景技术

固体火箭发动机是在导弹、火箭等航天运载器中广泛应用的动力系统之一，喉栓式变推力固体发动机能够按照实时需要进行推力调节，提高发动机智能化水平，具有广泛的应用前景。推力匹配设计是喉栓式变推力固体发动机设计中最核心最困难的技术之一，其主要任务是通过调整喉栓的位置，改变等效喉部面积大小，从而调节燃烧室压强和推力，使瞬时推力满足给定的推力曲线要求。

目前常用的推力匹配设计方法有：

1.基于已有设计案例，对喉栓运动方案进行手动设置和调整，以满足推力需求。此类方法在工厂部门中应用较多，由于常年从事喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计，积累了大量案例经验，因此一般情况下能得到较好的结果；

2.在设计工作环境下，将喉栓每个离散位移点的推力大小进行拟合，设计推力转换器。实际工作过程中根据需要推力按推力转换器反算喉栓的位移，实现推力匹配设计。此种方法简单方便，易于实现，有效避免了复杂的反算过程。

3.构造推力匹配设计的优化模型，将推力曲线按时间离散，应用优化算法进行迭代搜索。此类方法无需太多工程经验，并且可以避免繁琐的人工迭代。此类方法实施步骤如下：

3.1.建立优化模型

将推力曲线按时间步长均匀离散，得到每一个时间点的推力需求。以喉栓当前位置为设计变量，通过平衡压强公式计算此位置对应的推力，使得所得推力与要求推力的偏差最小。每一个时间步执行一次优化，即得到任意时刻下能够匹配推力的喉栓位置，完成喉栓运动方案设计，实现推力匹配需求。

3.2.选择优化方法

在优化方法的选择上，可采用通常的进化算法，进行设计空间探索。此类方法由于引入了随机量，涉及到大量的迭代，制约了设计效率的提升。由于优化模型是简单的一维模型，经典的一维搜索方法具有更强的适用性，且形式简单，易于实现，在保证设计精度的同时提高设计效率。

目前常用的推力匹配设计方法其缺点在于：

1.基于已有案例和经验，对喉栓运动方案进行手动设置和调整。此类方法经需要大量的经验支撑，并且只能满足推力比的要求，无法实现推力的精确控制；

2.通过拟合喉栓位移与对应推力曲线实现推力匹配设计的方法，建立在理想的工作环境下，一旦工作环境发生变化，系统控制的精度将无法保证，鲁棒性较差。一旦发动机发生工作条件偏离设计值，系统输出推力都会偏离期望值；

3.构造推力匹配的优化问题，将优化方法应用于喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计。完全由计算机自动迭代代替人工，避免繁琐耗时的人工迭代。但是由于普通的进化算法进行随机的设计空间探索，收敛速度较慢，制约了设计效率的提升。即使采用基于代理模型的优化方法进行推力匹配设计以减少样本仿真的数量，对于设计空间的探索同样无法避免，影响了效率的进一步提升。

发明内容

针对上述现有技术中喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计中设计效率低、精度差、过于依赖经验等问题，本发明以经典一维搜索方法中的二分法为基础，提供一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，避免了繁琐低效的进化算法的应用，快速、精确地给出当前推力需求下的喉栓运动方案，并且根据推力需求对喉径和喉栓直径进行合理调整，以提升推力调节能力，实现了喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计。

本发明通过将推力时间曲线离散，得到每一个样本时间点的需求推力。从最初的时间点开始，采用平衡压强公式计算喉栓位置对应的推力，利用二分法搜索喉栓行程，不断缩小搜索范围，直到找到满足设计推力需求的喉栓位置，然后进行下一个时间点的喉栓位置计算，直到完成需求时间内喉栓运动方案设计，实现推力匹配。如果在给定的推力作用时间内，推力调节能力不满足需求，则调节喉径和喉栓直径进行调节以满足推力调节能力。其具体包括如下步骤：

步骤1，获取待匹配设计的推力时间曲线，并将其按时间步长均匀离散，得到每一时间点上的需求推力；

步骤2，判断当前喷管喉径与喉栓直径的尺寸设计是否满足最大需求推力与最小需求推力的需求，若是则直接进入步骤3，否则更新喷管喉径和/或喉栓直径的尺寸设计直至满足最大需求推力与最小需求推力的需求进入步骤3；

步骤3，基于喉栓在喷管内的端点位置得到喉栓的最小可调推力与最大可调推力，并基于最小可调推力与最大可调推力采用二分法得到每一时间点的喉栓位置，实现喉栓运动方案匹配设计。

进一步地，步骤2中，若当前喷管喉径与喉栓直径的尺寸设计不满足最大需求推力与最小需求推力的需求，则基于最小需求推力更新喷管喉径的尺寸设计，其具体过程为：

步骤2.1.1，记喷管喉径变化范围为[

步骤2.1.2，取喷管喉径变化范围[

步骤2.1.3，基于

进一步地，步骤2.1.3中，所述基于

若

若

若

所述第一收敛判断具体为：若

进一步地，步骤2中，若当前喷管喉径与喉栓直径的尺寸设计不满足最大需求推力与最小需求推力的需求，则基于最大需求推力更新喉栓直径的尺寸设计，其具体过程为：

步骤2.2.1，记喉栓直径变化范围为[

步骤2.2.2，取喉栓直径变化范围[

步骤2.2.3，基于

进一步地，步骤2.1.3中，所述基于

若

若

若

所述第二收敛判断具体为：若

进一步地，步骤3中，所述基于最小可调推力与最大可调推力采用二分法得到每一时间点的喉栓位置，具体为：

步骤3.1，对于任一时间点的需求推力为

步骤3.2，取喉栓在喷管内的位置范围为[

步骤3.3，基于

进一步地，步骤3.1中，喉栓在喷管内的位置范围为[

若当前时间点为第一个时间点，则

若当前时间点为第一个时间点之后的时间点，则令

基于喉栓位于左端点

步骤3.1.1，若

步骤3.1.2，令

步骤3.1.3，令

进一步地，步骤3.3中，所述基于

若

若

若

所述第三收敛判断具体为：若

相较于现有技术，本发明提供的一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法具有如下有益效果:

1．相对于一般进化具有更快的设计速度，提高了推力匹配设计效率；

2．针对无法满足推力需求的情况给出喷管和喉栓的设计方案以满足推力调节；

3．设计过程自动化程度高，不必过分依赖工程师经验，避免了繁琐的人工迭代。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中示例的喷管喉栓型面曲线示意图；

图3为本发明实施例中案例1喉栓等效喉部面积随喉栓位置变化趋势图；

图4为本发明实施例中案例1需求的推力-时间曲线图示意图；

图5为本发明实施例中案例1设计所得的喉栓运动方案示意图；

图6为本发明实施例中案例1推力匹配设计结果示意图；

图7为本发明实施例中案例2需求的推力-时间曲线示意图；

图8为本发明实施例中案例2喉栓直径的推力匹配结果示意图；

图9为本发明实施例中案例2喉栓等效喉部面积随喉栓位置变化趋势图；

图10为本发明实施例中案例2设计所得的喉栓运动方案示意图；

图11为本发明实施例中案例2推力匹配设计结果示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例所公开的一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，其具体包括如下步骤：

步骤1，获取待匹配设计的推力时间曲线F-t，并将其按时间步长Δt均匀离散，得到每一时间点上的需求推力F

步骤2，由于随着喉栓从轴向机动，使得喷管的喉部面积减小，燃烧室压强增大，推力呈单调递增趋势，因此本实施例应用经典一维搜索方法中的二分法进行推力匹配设计。记喉栓顶点在喷管内的位置范围为[

若

步骤2.1.1，记喷管喉径变化范围为[

步骤2.1.2，取喷管喉径变化范围[

步骤2.1.3，基于

若

若

若

第一收敛判断具体为：若

若

步骤2.2.1，记喉栓直径变化范围为[

步骤2.2.2，取喉栓直径变化范围[

步骤2.2.3，基于

若

若

若

第二收敛判断具体为：若

经过上述喷管喉径与喉栓直径的设计，即能达到

步骤3，基于喉栓在喷管内的端点位置得到喉栓的最小可调推力与最大可调推力，并基于最小可调推力与最大可调推力采用二分法得到每一时间点的喉栓位置，实现喉栓运动方案匹配设计。其中，基于最小可调推力与最大可调推力采用二分法得到每一时间点的喉栓位置，具体为：

步骤3.1，对于任一时间点的需求推力为

步骤3.2，取喉栓在喷管内的位置范围为[

步骤3.3，基于

若

若

若

第三收敛判断具体为：若

在步骤3.1中，喉栓在喷管内的位置范围为[

第一种则是直接以喉栓顶点在喷管后的位置范围[

第二种作为优选地实施方式，其过程为：

若当前时间点为第一个时间点，则

若当前时间点为第一个时间点之后的时间点，则令

基于喉栓位于左端点

步骤3.1.1，若

步骤3.1.2，令

步骤3.1.3，令

本实施例中，基于平衡压强公式的计算采用零维内弹道模型：

式中，p

喷管的喉部面积随喉栓位置变化而变化，从而对发动机推力和压强产生影响。推力系数C

式中，

推力计算公式为：

式中，F(t)为t时刻的推力，p

下面结合具体的示例对本实施例中的喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法作出进一步地说明。

以某一型号构型喉栓式变推力发动机推力匹配设计为例，给出两个算例，其中喷管喉栓型面见图2，其构型参数见表1，表中喷管的喷管喉径以及喉栓直径是给定的初值，若推力无法满足需求则需要进行再设计。给出需要匹配的推力-时间曲线和喉栓位置与等效喉部面积对应的插值表，目的是通过设计喉栓的运动方案，使得任意时刻发动机工作推力能够匹配设计推力需求。针对两个不同算例，应用基于二分法的喉栓式变推力发动机推力匹配方法，完成喉栓的运动方案设计，具体步骤如下：

1)根据给定的最大需求推力与最小需求推力，判断喷管喉径和喉栓直径设计是否合理，合理则转步骤2)进行推力匹配设计，不合理则先进行喷管喉径和喉栓直径设计；

2)将给定的推力时间曲线按0.1秒时间步长离散，得到每一个时间点的推力需求；

3)采用二分法进行喉栓对应运动位置的求解；

4)判断是否遍历所有离散时间点，若是，则终止程序，输出喉栓运动方案，若否，则转2)进行下一个离散点的推力匹配设计。

表1 喷管喉栓构型参数

案例1：

第一个案例所给等效喉部面积随喉栓位移变化如图3所示，喉栓有效运动范围为[-4.08E-6,0.02]米，喉部面积变化范围[2.86E-5,2.01E-4]平方米，随着喉栓从左向右进动，等效喉部面积逐渐减小，完全深入时达到最小值，此时等效喉部面积为喉径面积减去喉栓截面积。假定设计需要的推力-时间曲线如图4所示，实际工作过程中需要不断调整喉栓位置以适应推力需求。发动机工作参数见表2。

表2 发动机工作参数表

首先判断喷管喉径和喉栓直径的尺寸设计能够达到最大需求推力与最小需求推力的需求。针对喉栓未伸入喉径与喉栓完全伸入喉径两种情况，采用平衡压强公式计算推力，其对应的最小推力与最大推力分别为330N和991N。满足设计推力所需的400N最小推力与900N最大推力需求，因此直接进行推力匹配设计。最终设计所得的喉栓工作时间内运动方案如图5所示，实际推力与设计推力的差别如图6所示。从图示结果可以看出，通过调节喉栓位置，设计推力精确匹配了需求推力，实现了喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计。

案例2：

第二个案例所给初始等效喉部面积随喉栓位移变化和发动机工作参数表与案例1相同，喉栓有效运动范围为[-4.11E-6,0.02]米，喉部面积变化范围[2.60E-5,2.01E-4]平方米。按单室双推力给定需求推力曲线如图7所示。

根据案例1的校验结果，此时可调推力范围是330N到991N，无法满足最小推力300N和最大推力1200N的需求，此时直接进行推力匹配设计的结果如图8所示。

因此首先进行喷管喉径设计，使得最小推力满足需求，然后通过喉栓直径设计使得最大推力满足需求。采用二分法，喷管喉部直径变动范围为[16,29.86]毫米，搜索得到喷管喉径为18.8mm时，最小推力为300N。然后执行喉栓直径设计，其搜索范围为[14.8,18.8]mm，采用二分法搜索区间得喉栓直径为17.9mm时，最大可调推力达到1200N，满足了最大推力需求。此时的设计所得的喉栓等效喉部面积随喉栓位移变化如图9所示。

确认可调最大最小推力满足需求之后，执行喉栓运动方案设计，通过调整喉栓的位置使得实际推力满足图7的需求推力。最终设计所得的喉栓运动方案如图10所示，由于单室双推力的推力需求为图7所示形式，因此喉栓仅需要进行简单的机动即可调节出满足需求的推力。实际的推力匹配设计结果与需求推力对比如图11和图7所示，二者精确拟合，实现了变推力发动机的推力调节功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。