气-液路耦合推进系统运载火箭的Pogo系统建模方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110727251A(43)申请公布日2020.01.24(21)申请号201910925285.2(22)申请日2019.09.27(71)申请人大连理工大学地址116023辽宁省大连市甘井子区凌工路2号申请人上海宇航系统工程研究所(72)发明人赵旺刘锦凡谭述君毛玉明孙丹朱春艳狄文斌(74)专利代理机构大连智高专利事务所(特殊普通合伙)21235代理人盖小静(51)Int.Cl.G05B19/418(2006.01)权利要求书7页说明书17页附图1页(54)发明名称气-液路耦合推进系统运载火箭的Pogo系统建模方法(57)摘要本发明公开了一种气-液路耦合推进系统运载火箭的Pogo系统建模方法，建立燃气发生器、涡轮、燃气导管、气-液型推力室等气体部件的二阶动力学模型，与建立的液路部分二阶动力学方程组装成完整的推进系统，从而建立起基于状态空间法的包含气路特性的Pogo状态空间模型。与传统的传递矩阵法相比，可以在计算推进系统频率的同时给出阻尼比；与传统的迭代法相比，状态空间法计算效率更高，而且不受迭代初值的影响，不会漏根；状态方程法可以考虑多模态、多耦合点、芯级与助推耦合作用等更多因素，结果更为精确。CN110727251ACN110727251A权利要求书1/7页1.一种气-液路耦合推进系统运载火箭的Pogo系统建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立推进系统液路部分二阶动力学模型；步骤2：建立气路部分各单元及边界条件的二阶动力学模型；步骤3：将气路各单元及边界条件的二阶动力学方程按照状态变量的选取顺序进行组装；步骤4：为了使液路和气路部分能够组装，需使液路和气路用相同的状态变量；步骤5：将推进系统气路二阶动力学方程调整成适合与液路部分进行连接的形式；步骤6：液路二阶动力学方程系数矩阵与气路二阶动力学方程系数矩阵根据状态变量的选取顺序进行组装，并在RG矩阵液路末端压强对应的地方填1，导出包含气路特性的推进系统的二阶动力学方程；步骤7：对结构振动方程两边求一次导数，将结构振动方程调整成适合与推进系统组装的形式；步骤8：将推进系统的二阶动力学方程与结构振动方程进行耦合，导出包含气路特性的Pogo系统模型。2.根据权利要求1所述一种气-液路耦合推进系统运载火箭的Pogo系统建模方法，其特征在于，步骤1建立推进系统液路部分二阶动力学模型具体为：其中质量位移uL为液路系统的状态变量，为流体相对管壁流速,PL为液T路单元各节点处的压强，且uL＝[u1u2…ui…]，u1u2…ui…为各节点处的质量位移；PG0为液路末端节点的压强，也是气路始端的压强；qs为结构系统模态位移；是uL一阶导数；是uL二阶导数；是qs一阶导数；是qs二阶导数；ML为质量阵；RL为阻尼阵；KL为刚度阵；U0L，U1L，U2L为推进系统不同段的系数矩阵；ρ为质量密度；A为管路截面积。3.根据权利要求1所述一种气-液路耦合推进系统运载火箭的Pogo系统建模方法，其特征在于，步骤2将气路系统预燃室、涡轮、整流栅、燃气导管、推力室单元及边界条件的传递矩阵模型进行泰勒Taylor二阶展开，并进行拉普拉斯Laplace逆变换转换为二阶动力学方程描述，导出气路部分各单元及边界条件二阶动力学方程描述。4.根据权利要求3所述一种气-液路耦合推进系统运载火箭的Pogo系统建模方法，其特征在于，(1)预燃室单元的有量纲二阶动力学方程描述为：2CN110727251A权利要求书2/7页其中τ1＝τgg，τ2＝-τΓ，τ3＝-(τgg+τΓ)，分别为预燃室出口的稳态燃气压强、流量、温度和混合比，分别为预燃室入口的稳态压强和流量，pG2、qG2、TG2、KG2分别为预燃室出口燃气压强、流量、温度和混合比；Kgg为燃气发生器额定混合比；τΓ为燃气发生器燃烧时滞；ψ为燃烧产物温度与推进剂组元混合比关系曲线斜率，且PG0，qG0为液路的末端压强和通过喷嘴进入发生器的液体氧化剂流量脉动量，τgg为从燃气形成到燃气发生器出口的时间；kgg为燃气绝热指数；T为燃烧产物温度；为偏导符号；(2)涡轮单元的有量纲二阶动力学方程描述为：式中：分别为涡轮入口的稳态燃气压强、流量、温度和混合比，分别为涡轮出口的稳态燃气压强、流量、温度和混合比，pG2、qG2、TG2、KG2分别为涡轮入口燃气压强、流量、温度和混合比；pG3、qG3、TG3、KG3分别为涡轮出口燃气压强、3CN110727251A权利要求书3/7页流量、温度和混合比；和分别为涡轮入口出口的静温；ε为通过涡轮的燃气流量与压比关系曲线斜率；(3)燃气导管单元的有量纲二阶动力学方程描述为：式中：分别为燃气导管入口的稳态燃气压强、流量、温度和混合比，分别为燃气导管出口的稳态燃