试议耗散旋转火箭章动不稳定过程与抑制案例学报

论文导读：不稳定性的飞行器的参数变化，探讨了飞行器其它参数变化对飞行器系统角速度变化与章动角变化的影响。发现飞行器系统的章动历程受系统轴向转动惯量、侧向转动惯量、质量流量与质心位置等参数变化的影响。通过转变这些参数的变化，可以转变飞行器系统的章动效果。当增大飞行器系统轴向转动惯量，减小侧向转动惯量，减小质心位置，减
摘要：针对旋转火箭飞行器发射历程中体现出的章动不稳定性，采取论述浅析与数值模拟相结合的策略，探讨了旋转火箭飞行器章动放大历程的理由，提出了章动抑制案例。以一般作用的变质量系统的定义出发，对变质量系统进行了完整而严格的数学方程推导。对所推导方程进行检验与化简，经过合理的假设化简之后使得方程能够很方便的运用于实际的旋转火箭飞行器系统。发现旋转火箭飞行器质量变化产生的力主要是推力矢量和科氏力。由于飞行器系统质量的变化，喷气阻尼力矩与惯性特性变化产生的力矩为影响姿态运动的主要力矩。采取双体轴对称模型探讨发动机质量变化对飞行器姿态变化的影响，主要探讨了端燃药柱、内外燃管型药柱、内燃端燃管型药柱等三种药型，对这三种药型燃烧方式带来的质量与转动惯量的变化进行了精确的计算，同时给出了采取这三种药型的旋转飞行器的轴向角速度与侧向角速度的变化规律。发现喷管/药柱直径比对飞行器系统的旋转角速度影响较大，而药柱长径比则对飞行器系统的侧向角速度影响较大。采取端燃药柱时，选取适当的喷管/药柱直径比与药柱长径比可以使飞行器旋转角速度稳定，侧向角速度迅速耗散掉；采取内外燃管型药柱时，同样可以通过选取适当的喷管/药柱直径比与药柱长径比使飞行器旋转角速度稳定，侧向角速度迅速耗散；采取内燃与端燃组合的药柱则会使飞行器侧向角速度发散，也以侧面解释了采取STAR-48发动机的旋转飞行器在工作历程中出现的侧向角速度迅速放大的现象是与其药型密切相关的，表明这类药型不适用于旋转飞行器。以飞行器系统质量减少，引起的能量耗散的角度出发，推导得到了飞行器系统的角速度方程与章动方程，并通过适当的策略求解。利用该策略计算具有旋转章动不稳定性的飞行器的参数变化，探讨了飞行器其它参数变化对飞行器系统角速度变化与章动角变化的影响。发现飞行器系统的章动历程受系统轴向转动惯量、侧向转动惯量、质量流量与质心位置等参数变化的影响。通过转变这些参数的变化，可以转变飞行器系统的章动效果。当增大飞行器系统轴向转动惯量，减小侧向转动惯量，减小质心位置，减小发动机质量流量，可以削弱飞行器系统的章动效果；反之，可以增强飞行器系统的章动效果。利用欧拉—拉格朗日气固两相流动的策略对旋转发动机内流场进行了数值模拟，发现在旋转发动机燃烧的后期，随着燃烧室半径的增大，哥氏力逐渐增强，燃烧室的颗粒在燃气流的作用下与飞行器的旋转耦合起来，在潜入式喷管背部区集聚。为描述积聚在潜入式喷管背部区的颗粒对飞行器运动的影响，进一步提出利用一个有质量的小球在燃烧室内运动来模化集聚颗粒的运动。推导得到了小球运动时的飞行器运动方程，把实际飞行器的参数带入运动方程求解，得到了与实测规律一致的飞行器侧向角速度的增加。说明本论文提出的计算模型可以用来预测燃烧室内Al_2O_3凝相熔渣运动的飞行器的侧向角速度增加，也以侧面印证了Al_2O_3凝相熔渣质量运动是旋转飞行器章动不稳定性的理由之一。针对旋转飞行器固体火箭发动机工作历程中出现的章动不稳定现象，结合章动阻尼器的特点，提出了一维运动的章动阻尼器制约模型与二维运动的章动阻尼器制约模型来抑制章动历程。通过对模型进行化简，推导得到其运动方程。采取劳斯法则对一维运动的章动阻尼器制约模型进行稳定性浅析，发现在一维运动的章动阻尼器作用下，当阻尼器位于飞行器系统质心之后，只要飞行器的推力与阻尼器弹簧的弹性系数足够大，可转变细长体旋转飞行器转动惯量的最大轴稳定法则，使其围绕转动惯量最小轴稳定旋转，即一维运动的章动阻尼器制约模型能使细长体飞行器的章动放大阻尼掉，使其稳定旋转。采取李雅普诺夫第二策略对二维运动的章动阻尼器制约模型进行稳定性浅析，发现在二维运动的章动阻尼器作用下，同样可以转变细长体旋转飞行器转动惯量的最大轴稳定法则，使其围绕转动惯量最小轴稳定旋转，对旋转飞行器的章动起到阻尼作用。通过摄动浅析的策略给出了两种章动制约案例的章动阻尼时间常数，当设计章动制约案例时，应使系统的章动阻尼时间常数最小，也就是使系统在最短的时间稳定下来。采取数值模拟的策略求解具体飞行器在两种制约案例作用下的运动状态，验证稳定性浅析的结果，并评估所设计章动制约案例对飞行器章动的抑制效果，发现两种案例均可以对旋转飞行器的大幅度章动摇摆起到阻尼作用，且二维运动的章动阻尼器制约模型的阻尼效果显著优于一维运动的章动阻尼器制约模型，可使飞行器的章论文导读：不同药型质量变化对飞行器旋转角速度的影响39-523.2.1端燃药柱的旋转角速度40-433.2.2内外燃管型药柱的旋转角速度43-473.2.3内燃端燃管型药柱的旋转角速度47-523.3不同药型质量变化对飞行器侧向角速度的影响52-633.3.1端燃药柱的侧向角速度52-553.3.2内外燃管型药柱的侧向角速度55-583.3.3内燃端燃管型药柱的侧向角
动快速稳定下来。关键词：旋转火箭飞行器论文能量耗散论文章动不稳定性论文抑制案例论文章动阻尼器论文
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Abstract7-12
第1章 绪论12-22

1.1 课题的探讨目的及作用12-15

1.2 国内外探讨近况15-21

1.2.1 国外探讨近况15-20

1.2.2 国内探讨近况20-21

1.3 本论文的主要探讨内容21-22

第2章 旋转飞行器固体火箭发动机变质量系统的基本方程22-34

2.1 变质量系统的运动方程22-29

2.

1.1 变质量系统的运动学23-25

2.

1.2 变质量系统的惯性力25-26

2.

1.3 变质量系统的作用力26-27

2.

1.4 变质量系统的动力学方程27-29

2.2 姿态运动方程的其它形式29-30

2.3 变质量的运动效果30-33

2.3.1 平动30-32

2.3.2 旋转运动32-33

2.4 本章小结33-34

第3章 发动机质量变化对飞行器运动姿态的影响34-64

3.1 飞行器质量变化的简化模型34-39

3.2 不同药型质量变化对飞行器旋转角速度的影响39-52

3.

2.1 端燃药柱的旋转角速度40-43

3.

2.2 内外燃管型药柱的旋转角速度43-47

3.

2.3 内燃端燃管型药柱的旋转角速度47-52

3.3 不同药型质量变化对飞行器侧向角速度的影响52-63

3.1 端燃药柱的侧向角速度52-55

3.2 内外燃管型药柱的侧向角速度55-58

3.3 内燃端燃管型药柱的侧向角速度58-63

3.4 本章小结63-64

第4章 章动不稳定历程的能量耗散64-86

4.1 能量耗散历程64-69

4.2 算例与计算结果浅析69-85

4.

2.1 算例 1 与结果浅析69-72

4.

2.2 算例 2 与结果浅析72-82

4.

2.3 算例 3 与结果浅析82-85

4.3 本章小结85-86
第5章 旋转发动机燃烧室 Al_2O_3熔渣对章动历程的影响86-107

5.1 Al_2O_3凝相熔渣运动的数值模拟86-99

5.

1.1 两相流体动力学方程86-93

5.

1.2 物理模型与求解算法93-94

5.

1.3 计算结果与浅析94-99

5.2 考虑 Al_2O_3凝相熔渣运动的飞行器运动规律99-105
5.

2.1 物理模型与数学方程99-103

5.

2.2 计算结果与浅析103-105

5.3 本章小结105-107
第6章 发动机工作历程中的章动抑制案例107-136

6.1 章动历程抑制案例一108-117

6.

1.1 一维运动的章动阻尼器制约模型108-112

6.

1.2 一维运动的章动阻尼器稳定性浅析112-117

6.2 章动历程抑制案例二117-132
6.

2.1 二维运动的章动阻尼器制约模型117-119

6.

2.2 二维运动的章动阻尼器稳定性浅析119-132

6.3 数值计算与浅析132-135

6.4 本章小结135-136

结论136-139
参考文献139-149
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果149-151
致谢151