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旋转固体火箭发动机飞行器的章动不稳定性研究

杨丹  
【摘要】:自旋稳定固体火箭发动机飞行器随着发动机尺寸的增大,工作时间的增长,在发动机工作末期出现了不可预见的不稳定性运动。飞行器由固体火箭发动机点火平台引入了小幅度的摇摆,被称为“圆锥运动”或“章动不稳定性”,这一小幅度摆动在发动机工作后半段被逐渐放大,摆动幅度在发动机工作结束时突然停止增长,且使得在某些飞行器上章动角度最终甚至达到了约17°。 传统的旋转火箭动力学理论不能对这一现象做出解释,因为遥测数据显示,不稳定性的严重程度取决于飞行器的质量属性特点以及一些其它的系统参数。虽然之后人们在出现这一类问题的飞行器上增加了章动控制系统,但其质量较大,使得飞行器的消极质量占了很大一部分,这是与固体火箭飞行器的结构简单、低成本相矛盾的。因此,对不稳定性的产生机理有深入全面的理解是十分重要的。 本论文在现有关于飞行器章动不稳定性特点描述的基础上,对这一不稳定现象进行了研究,主要完成以下几项工作: 首先,通过空间飞行器姿态运动的分析,对火箭发动机飞行器的章动不稳定性运动进行了推导,并结合实际遥测数据以及一系列发生这一问题飞行器的特点,对章动不稳定性的产生机理进行了分析,初步得到了飞行器自身参数变化以及发动机内部气流的相对运动是影响飞行器侧向角运动的主要因素。 其次,在对内部气流的流动状态做出适当假设的基础上,基于飞行器系统整体运动方程的基础上,考察系统质量变化对飞行器系统姿态运动的影响。通过对几种典型装药的计算可知,随着发动机内装药形式、推进剂燃烧方式的不同,系统姿态运动变化的规律也是不同的。在端面燃烧情况下,固体装药质量的消失对旋转运动的影响是有利的,使得飞行器侧向角速度逐渐趋于稳定;而对于管形装药,结果却刚好相反,质量的消失使旋转的侧向角速度以指数方式递增,从而导致了飞行器的不稳定。 第三,基于飞行器系统参数的线性化处理,求解运动方程,确定求解姿态变化,并具体分析了喷气阻尼力矩与推力偏心力矩的不同作用效果,研究了飞行器整体运动随飞行器参数的变化规律。通过对运动方程的求解,得到不同的飞行器参数变化对整体运动的影响也是不同的。 第四,将Flandro的非稳态气流作用力矩模型引入到飞行器运动方程中,同样采用线性化的系统参数进行计算,结果表明非稳态气流产生的侧向扰动力矩是飞行器发生不稳定性运动的主要因素。 最后,在已有结论的基础上对发动机内非稳态不可压缩内流场进行数值模拟,得到了旋转发动机内流场涡核流动的变化规律,推进剂燃烧表面变化较复杂的发动机,其涡核流动现象也较复杂。发动机内的复杂非稳态气流与飞行器摇摆运动的相互作用,激发了气流的非稳态运动,这是飞行器发生章动不稳定性的诱发原因。 本文的研究成果和结论对旋转固体火箭发动机飞行器的章动不稳定性问题具有十分重要的意义和实用价值。


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