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固体火箭推力矢量虚拟仿真实验

固体火箭推力矢量虚拟仿真实验

实验简介固体火箭发动机推力矢量虚拟仿真实验的目的是检验使用燃气舵控制固体火箭发动机推力矢量的导弹动力装置的性能,针对实验结果对固体火箭发动机及燃气舵的性能进行改进设计,一般遵循“理论设计—结构设计—性能试验”这一反复迭代过程。在实验过程中,涉及到火炸药、固体推进剂等危爆物品,实验所需的场地大、安全保障措施严格,实验成本极高,准备及实验过程甚为危险且消耗大量的实践,传统的实验教学以演示为主,学生无法实际准备相关实验、制备危爆实验零部件,更无法操作相关的大型实

南京理工大学

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实验简介


固体火箭发动机推力矢量虚拟仿真实验的目的是检验使用燃气舵控制固体火箭发动机推力矢量的导弹动力装置的性能,针对实验结果对固体火箭发动机及燃气舵的性能进行改进设计,一般遵循“理论设计—结构设计—性能试验”这一反复迭代过程。在实验过程中,涉及到火炸药、固体推进剂等危爆物品,实验所需的场地大、安全保障措施严格,实验成本极高,准备及实验过程甚为危险且消耗大量的实践,传统的实验教学以演示为主,学生无法实际准备相关实验、制备危爆实验零部件,更无法操作相关的大型实验设备,无法提升学生动手实践的水平,达不到实践教学的目的。本项目以了解固体火箭发动机设计及其推力矢量控制原理为基础,掌握固体火箭发动机及燃气舵设计的方法,了解结构参数对发动机及燃气舵的性能的影响。通过虚拟仿真实验教学,掌握固体火箭发动机推压力高精度测量以及固体火箭发动机推力矢量的试验方法、步骤及测试测量仪器设备的使用。通过对推力矢量控制燃气舵的固体火箭发动机的设计,对带有燃气舵的固体火箭发动机的推力、压力及推力矢量特性进行实践教学,有利于学生领会先进动力装置及其控制方式的设计方法,领会数字化设计及实验的思想,完全模拟带矢量控制的固体火箭发动机的设计过程,加深对专业知识的认知。在提高学生动手实践水平的同时,提升学生安全操作、安全生产及安全试验的意识。为此,本虚拟仿真实验系统针对火箭武器系统学习难点问题,设计三个模块的教学内容。首先,基于使用目的完成固体火箭发动机的设计。然后,基于机动要求完成燃气舵设计。接着,对设计完成的固体火箭发动机在高精度台上完成发动机燃烧室压力及总推力的测量,对发动机的总体性能及安全性加以评估。最后,将配备燃气舵的固体火箭发动机安装在六分力试验台上,对固体火箭发动机燃气舵的操作特性以及对推力矢量的影响进行系统测量。



实验要求


固体火箭发动机燃气舵推力矢量控制系统是在固体火箭发动机的基础上利用燃气舵控制发动机产生推力在三维坐标上的分量,具有结构简单、质量轻、扭矩大、体积小、成本低、驱动功率小、频率响应快和能实现俯仰、偏航与滚转三个方向的控制等优点,全套矢量控制一体化的燃气舵可在其工作完成后抛除,在很短的时间或者很低的高度上完成弹体姿态角的大角度转动,是现代导弹及制导武器系统快速机动的有效途径。因此,以固体火箭发动机设计为起始获得满足推力及总冲要求的导弹,接着根据导弹机动特性设计用于推力矢量控制的燃气舵,最后以实验方法为基础对固体火箭发动机的推压力特性以及安装有燃气舵的固体火箭发动机的推力矢量特性进行试验研究,完成固体火箭发动机燃气舵推力矢量控制系统的系列化设计及实验研究工作。具体而言,本虚拟仿真实验项目的具体内容如下:

(1) 固体火箭推力矢量系统认知。

(2) 固体火箭推力矢量系统设计,主要包含固体火箭发动机设计与燃气舵设计两大部分。

固体火箭发动机作为固体火箭推力矢量系统中能量的来源,固体火箭发动机主要由固体推进剂、燃烧室、点火器、尾喷管等部分组成。其中,固体推进剂主要有双基推进剂、改性双基推进剂以及复合推进剂等三大类,同时含有燃料及氧化剂,在点火器产生的高温高压燃气的作用下被点燃后产生高温高压燃气并维持推进剂的稳定燃烧,将燃料所具有的化学能转化为热能,通过发动机的尾喷管产生推力,从而推动飞行器的快速飞行。固体火箭发动机燃烧室为推进剂燃烧提供燃烧的空间并作为导弹及智能弹药壳体的一部分。在固体火箭发动机的设计过程中,以发动机推力、总冲量及关键结构极限为设计指标,对装药类型,燃烧室、连接底、喷管结构,喷管热防护及点火药量等内容加以设计与计算。

燃气舵是固体火箭推力矢量控制系统中常用的操控部件,通过燃气舵的偏转操作,可以令以固体火箭发动机作为动力的导弹系统具备高机动性,其设计应满足以下要求:1)具有足够接近常值的升力梯度以满足最大升力控制要求;2)燃气舵差动时需满足总体对横滚控制要求;3)保证燃气舵阻力小以减小发动机的推力损失,舵面铰链力矩及其在整个工作期间变化要相对较小以降低对舵机功率的要求;4)燃气舵尺寸尽可能小但要满足强度和刚度的要求,安装位置要合理,便于后续附属零部件的结构设计及安装;5)当燃气舵偏转至最大角度时,不能产生机械干涉。

固体火箭推力矢量性能分析与优化实验。利用燃气舵实现固体火箭高机动性能的系统,发动机设计的合理性、安全性,以及燃气舵性能的稳定性与可靠性,是检验固体火箭推力矢量系统的基准条件。为此,本项目首先通过高精度推压力仿真实验教学系统,真实模拟实验前准备工作,主要模拟固体火箭发动机推力-时间、压力-时间等内弹道参数的实验过程,针对实验中可能发生的特殊情况加以应急处理,使学生掌握高精度推压力实验系统的使用方法,为开展高精度推压力实验系统实践教学奠定基础。然后,本项目在六分力虚拟仿真教学实验台上,通过在实验台两个平行平面六个座标轴方向上合理布置传感器,可测量到推力在六个座标轴的分量及其对空间三个轴的力矩分量,再把各分量合成,即可求得发动机的推力向量,进而求出发动机的推力偏心参数。最后利用虚拟高精度推压力实验台及六分力实验台,通过改变固体火箭装药结构、燃气舵结构等结构参数,研究研究上述因素的变化对固体火箭推力矢量系统的合理性、安全性、稳定性与可靠性的影响,从而获得固体火箭推力矢量系统的设计、性能测试及与性能分析的深刻认知。

1)专业与年级要求

本实验项目主要面向航空宇航科学与技术中的飞行器设计等方向的大三、打死学生,同时也是飞行器动力、武器系统与工程等相关专业的实验课程。

2)基本知识和能力要求

使用本虚拟仿真实验系统学习前,对于参加实验和实践的飞行器设计与工程专业、武器系统与工程专业的大一、大二学生,要求学生已经较为系统地学习了工程流体力学、热力学等课程;对于参加工程实践和实习的大三、大四学生,要求较系统地完成《固体火箭发动机设计》、《弹箭姿态控制系统设计基础》、《导弹制导与控制技术》等专业课程的学习,已经掌握固体火箭推力矢量的基本理论,在专业能力方面要求学生对固体火箭发动机、燃气舵的结构,工作原理及性能的特点,对相应的理论知识有着深入的理解与认知。


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