軌姿控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水擊仿真模擬

張崢岳，康乃全

（北京航天動(dòng)力研究所，北京100076）

0 引言

軌姿控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于空間飛行器之中，其主要作用是軌道控制、姿態(tài)控制、航天器的對(duì)接和交會(huì)等。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)的瞬間，流量和壓力會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)脈動(dòng)波，即瞬變流現(xiàn)象 (也稱水擊現(xiàn)象)[1]。

水擊亦稱液壓沖擊或“水錘 (water hammer)”現(xiàn)象，是由于液體局部加速度過大所致的管內(nèi)壓強(qiáng)急劇變化的一種動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在液壓系統(tǒng)中。在液壓系統(tǒng)的工作過程中，當(dāng)閥門突然關(guān)閉或者執(zhí)行部件突然換向以及外負(fù)載急劇變化時(shí)，均將出現(xiàn)壓強(qiáng)交替升降的波動(dòng)過程。由于管路中液流的慣性及可壓縮性，流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)能，并迅速逐層形成壓強(qiáng)波[2]。由于液流的粘性，該壓強(qiáng)波經(jīng)過一段時(shí)間后逐漸衰減而停止。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)機(jī)過程中，推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水擊。

軌姿控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，因其管路尺寸較小，分段較多，閥門響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，使管路內(nèi)水擊產(chǎn)生的壓力峰波動(dòng)較大。為保證推進(jìn)系統(tǒng)安全、可靠和高質(zhì)量地工作，需要研究水擊強(qiáng)度在管路中的空間分布和流動(dòng)過程中的時(shí)間分布等動(dòng)態(tài)特性及其影響因素，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析具有重要意義。

本文依據(jù)模塊化建模思想，基于工程系統(tǒng)高級(jí)建模和仿真平臺(tái)AMESim，建立了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件的仿真模塊，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及關(guān)機(jī)過程進(jìn)行推進(jìn)劑水擊壓力動(dòng)態(tài)特性研究，分析水擊強(qiáng)度及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響，并用現(xiàn)有試車數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型和方法的準(zhǔn)確性，為軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。……