一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法技术

本发明专利技术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。喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计。喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计。

【技术实现步骤摘要】
一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法


[0001]本专利技术涉及发动机推力匹配设计
，具体是一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]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，本专利技术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。
[0008]本专利技术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。
[0009]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[r
na
，r
nb
]，并计算无喉栓情况下喷管喉径位于左端点r
na
时的推力F
na
，以及位于右端点r
nb
时的推力F
nb
；步骤2.1.2，取喷管喉径变化范围[r
na
，r
nb
]的中点r
nc
，并计算其对应的推力F
nc
；步骤2.1.3，基于F
nc
与最小需求推力F
min
的大小关系更新喷管喉径的尺寸设计。
[0010]进一步地，步骤2.1.3中，所述基于F
nc
与最小需求推力F
min
的大小关系更新喷管喉径的尺寸设计，具体为：若F
nc
<F
min
，说明喷管喉径在[r
na
，r
nc
]之间可以满足最小需求推力，则在令r
nb
=r
nc
、F
nb
=F
nc
后进行第一收敛判断；若F
nc
>F
min
，说明喷管喉径在[r
nc
，r
nb
]之间可以满足最小需求推力，则在令r
na
=r
nc
、F
na
=F
nc
后进行第一收敛判断；若F
nc
=F
min
，说明喷管喉径为r
nc
时可以满足最小需求推力，则输出r
nc
为喷管喉径的
尺寸设计；所述第一收敛判断具体为：若abs(r
na
‑
r
nb
)≤e是否成立，若是则输出当前的r
nc
为喷管喉径的尺寸设计，否则重复步骤2.1.1
‑
步骤2.1.3，其中，e为收敛精度。
[0011]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[r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，其特征在于，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[r
na
，r
nb
]，并计算无喉栓情况下喷管喉径位于左端点r
na
时的推力F
na
，以及位于右端点r
nb
时的推力F
nb
；步骤2.1.2，取喷管喉径变化范围[r
na
，r
nb
]的中点r
nc
，并计算其对应的推力F
nc
；步骤2.1.3，基于F
nc
与最小需求推力F
min
的大小关系更新喷管喉径的尺寸设计。3.根据权利要求2所述喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，其特征在于，步骤2.1.3中，所述基于F
nc
与最小需求推力F
min
的大小关系更新喷管喉径的尺寸设计，具体为：若F
nc
<F
min
，说明喷管喉径在[r
na
，r
nc
]之间可以满足最小需求推力，则在令r
nb
=r
nc
、F
nb
=F
nc
后进行第一收敛判断；若F
nc
>F
min
，说明喷管喉径在[r
nc
，r
nb
]之间可以满足最小需求推力，则在令r
na
=r
nc
、F
na
=F
nc
后进行第一收敛判断；若F
nc
=F
min
，说明喷管喉径为r
nc
时可以满足最小需求推力，则输出r
nc
为喷管喉径的尺寸设计；所述第一收敛判断具体为：若abs(r
na
‑
r
nb
)≤e是否成立，若是则输出当前的r
nc
为喷管喉径的尺寸设计，否则重复步骤2.1.1
‑
步骤2.1.3，其中，e为收敛精度。4.根据权利要求1所述喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，其特征在于，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[r
pa
，r
pb
]，并计算喉栓完全伸入喷管的情况下喉栓直径位于左端点r
pa
时的推力F
pa
，以及位于右端点r
pb
时的推力F
pb
；步骤2.2.2，取喉栓直径变化范围[r
pa
，r
pb
]的中点r
pc
，并计算其对应的推力F
pc
；步骤2.2.3，基于F
pc
与最大需求推力F
max
的大小关系更新喉栓直径的尺寸设计。5.根据权利要求4所述喉栓式变推力固体发动机推力匹配设计方法，其特征在于，步骤2.1.3中，所述基于F
pc
与最大需求推力F
max
的大小关系更新喉栓直径的尺寸设计，具体为：若F
pc
<F
max
，说明喉栓直径在[r
pc
，r
pb
]之间可以满足最大需求推力，则在令r
pa
=r
pc
、F
pa
=F
pc
后进行第二收敛判断；若F
pc
>F
max
，说明喉栓直径在[r
pa
，r
pc
]之间可以满足最大需求推力，则在令r
pb
=r
pc
、F
pb
=F
pc
后进行第二收敛判断；
若F
pc
=F
max
，说明喉栓直径为r
pc
时可以满足最大需求推力，则输出r
pc
为喉栓直径的尺寸设计；所述第二收敛判断具体为：若abs(r
pa
‑
r
pb
)≤e是否成立，若是则输出当前的r

【专利技术属性】
技术研发人员：武泽平，杨家伟，张为华，彭博，王鹏宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：