本發(fā)明屬于火箭發(fā)動機(jī)仿真領(lǐng)域，涉及膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和膏體推進(jìn)劑燃燒性能，具體涉及一種基于微分錐角的膏體發(fā)動機(jī)內(nèi)燃面和內(nèi)彈道計算方法。

背景技術(shù)：

1、基于膏體推進(jìn)劑的可變推力多脈沖火箭發(fā)動機(jī)具有能量密度高、點火性能好、儲存性能好、材料相容性好、推力調(diào)節(jié)比高、模塊化性能好等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)推力智能隨控可調(diào)。因此，其在空空導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈和航天飛船等軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用前景，是未來固體火箭發(fā)動機(jī)的重要發(fā)展方向之一。

2、目前，針對觸變推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)的研究仍不充分，其設(shè)計思路和仿真驗證方法尚不成熟?，F(xiàn)有的膏體觸變推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道動態(tài)算法只適用于推進(jìn)劑恒定流速供應(yīng)條件下的計算，算法中存在大量假設(shè)和簡化，并不能夠反應(yīng)火箭發(fā)動機(jī)的真實工作狀態(tài)。因此，需要發(fā)展一套基于膏體觸變推進(jìn)劑基本燃燒原理的內(nèi)彈道動態(tài)計算方法。

3、[1]肖金武，張文剛.pepa/ap膏體推進(jìn)劑配方研究[j].固體火箭技術(shù),2001(04):46-49.(這一篇文獻(xiàn)主要介紹了基于pepa/ap的膏體推進(jìn)劑配方及其物化性質(zhì)。)

4、[2]石建.膏體火箭發(fā)動機(jī)的性能特點及應(yīng)用前景[j].飛航導(dǎo)彈,2008(10):61-63.(這一篇文獻(xiàn)主要介紹了當(dāng)前膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)的主要優(yōu)勢及其應(yīng)用方向。)

5、[3]yoon?c.injection?dynamics?of?gelled?propellants.[d]:purdueuniversity,2011.(這一篇文獻(xiàn)主要介紹了膏體推進(jìn)劑在擠壓供應(yīng)下的動態(tài)特性，包括其受到高壓擠壓下流動特性發(fā)生的變化。)

6、[4]秦振楊.多脈沖膏體火箭發(fā)動機(jī)工作特性研究[d]:南京理工大學(xué),2019.(這一篇文獻(xiàn)主要通過單次/多次脈沖裝置實現(xiàn)了膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)的脈沖工作，并且編寫了一套可行的膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道仿真算法)

7、[5]anderson?d?j,john?d,et?al.nasa?in-space?advanced?chemicalpropulsion?development?in?recent?years[c]//.2010ieee?aerospace?conference,2010:1-20.(nasa關(guān)于近年先進(jìn)化學(xué)推進(jìn)技術(shù)的綜述性論文，其中涉及到了膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī))

8、[6]楊海.膏體火箭發(fā)動機(jī)工作特性試驗與仿真研究[d]:南京理工大學(xué),2016.(南京理工大學(xué)關(guān)于膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)工作特性的研究文獻(xiàn)，其中將膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)工作過程分為了三個主要階段，即初始燃燒階段、穩(wěn)定燃燒階段和余藥燃燒階段三個階段)

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明對所設(shè)計的觸變推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)推力室系統(tǒng)開展建模，為仿真獲取推進(jìn)劑流量特性及發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒特性奠定基礎(chǔ)。由于本發(fā)明涉及的膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)常見的燃燒方式是錐面燃燒，其主要特征是燃面隨推進(jìn)劑供應(yīng)液壓和燃燒室壓力動態(tài)變化，故其燃燒特性仿真無法使用一般的零維內(nèi)彈道模型。為此，本發(fā)明提出了膏體觸變推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)推力室系統(tǒng)錐面燃燒微分動態(tài)模型，并介紹了其基本數(shù)學(xué)表達(dá)式及其matlab算法實現(xiàn)思路，為未來膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)全系統(tǒng)工作特性仿真奠定理論基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明涉及的內(nèi)彈道動態(tài)算法，使用微分錐角假設(shè)，可對恒定液壓供應(yīng)的觸變推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行計算，解決了傳統(tǒng)算法無法計算液壓供應(yīng)的缺陷，極大提高了算法的適用性。通過該算法成功對恒定液壓供應(yīng)下的發(fā)動機(jī)燃面、流量和室壓的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了膏體觸變推進(jìn)劑錐面燃燒的內(nèi)彈道壓強(qiáng)峰變動特性隨液壓供應(yīng)變化的規(guī)律，極大提高了膏體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)設(shè)計的可靠性。

3、本仿真系統(tǒng)所仿真的膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)常見的燃燒方式是錐面燃燒，其主要特征是燃面隨推進(jìn)劑供應(yīng)液壓和燃燒室壓力動態(tài)變化，故其燃燒特性仿真無法使用一般的零維內(nèi)彈道模型。現(xiàn)有的膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道仿真模型一般將膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)在燃燒室內(nèi)部燃燒時的燃面簡單設(shè)置為錐面，因此無法有效仿真出膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)燃燒過程中的動態(tài)特性。為此本軟件使用錐面燃燒微分動態(tài)模型，使用微分錐角假設(shè)，可對恒壓，變壓，變流量等不同供應(yīng)的觸變推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行計算，解決了傳統(tǒng)算法無法計算發(fā)動機(jī)動態(tài)工作特性的缺陷，極大提高了算法的適用性。

4、該算法可以實現(xiàn)高精度膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)參數(shù)計算。通過給定的發(fā)動機(jī)各項參數(shù)，可以自動計算出膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)在工作狀態(tài)下的各項關(guān)鍵參數(shù)，包括發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑燃面，燃燒室壓力，推進(jìn)劑流量等。算法自動求解推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)部形成的燃面形狀，在計算過程中使用動畫的形式顯示出來。

5、本發(fā)明的內(nèi)彈道動態(tài)仿真算法主要包含以下幾個主要部分：計算函數(shù)、主程序和結(jié)果輸出程序。其中計算函數(shù)包含了主要的參數(shù)計算，產(chǎn)生包括室壓、燃料流量、燃面形態(tài)在內(nèi)的多種結(jié)果。實現(xiàn)算法的主要組成框圖如圖1所示。

6、該基于該算法實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的內(nèi)彈道特性進(jìn)行動態(tài)計算仿真，其主要包含的模塊可輸出以下幾個主要結(jié)果：發(fā)動機(jī)的室壓，燃面數(shù)據(jù)，輸出為時域圖像。發(fā)動機(jī)的錐面動態(tài)變化過程，隨算法進(jìn)行輸出燃面的動態(tài)圖像。

7、實現(xiàn)本發(fā)明的軟件是在matlab?r2022b下開發(fā)的一套基于微分錐角法的膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道仿真軟件系統(tǒng)。使用matlab?r2022b的app?designer開發(fā)其gui界面，并且使用全gui方式進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)定和調(diào)整，以及仿真結(jié)果的返回。同時，用戶可以根據(jù)其需求，調(diào)整仿真內(nèi)容以及仿真方式，乃至添加新的仿真算法。

8、為此，本發(fā)明提出一種基于微分錐角法的膏體發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道計算方法，步驟如下：

9、步驟1:設(shè)置仿真程序的參數(shù)，根據(jù)發(fā)動機(jī)的各項指標(biāo)參數(shù)對需要仿真的發(fā)動機(jī)進(jìn)行參數(shù)建模。

10、步驟2:輸入?yún)?shù)傳入計算算法作為算法預(yù)設(shè)值，按照時間步長順序向前輸出當(dāng)前對應(yīng)的物理時間的計算結(jié)果。

11、步驟3:算法完成所設(shè)定的全部時間步長的計算，根據(jù)儲存的計算結(jié)果得到發(fā)動機(jī)工作全過程的壓強(qiáng)/推力/流量曲線。

12、所述步驟2中，通過微分錐角法對發(fā)動機(jī)燃面和燃燒組織特性進(jìn)行精細(xì)仿真。該步驟保護(hù)利用微分錐角法對膏體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行計算模擬的方法，這一方法主要包含三個主要步驟，見具體實施方式內(nèi)的計算方法。

13、本發(fā)明的主要創(chuàng)新點在于：

14、(1).本仿真系統(tǒng)所仿真的膏體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)常見的燃燒方式是錐面燃燒，所仿真對象有動態(tài)特性復(fù)雜，且參數(shù)輸入困難等問題。本系統(tǒng)可以使用戶高效仿真在不同輸入條件下發(fā)動機(jī)工作全流程燃燒特性以及發(fā)動機(jī)燃面，室壓等參數(shù)變化，快速判別發(fā)動機(jī)設(shè)計是否合理，發(fā)動機(jī)試驗參數(shù)是否會使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生回火等不良燃燒現(xiàn)象，對發(fā)動機(jī)設(shè)計以及試驗過程均有參考價值。

15、(2).發(fā)動機(jī)燃面半截面可以實時顯示，使用戶可以實時觀察發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)和仿真運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)運行過程中的問題。

16、(3).仿真軟件輸入?yún)?shù)量較少，主要涵蓋發(fā)動機(jī)以及推進(jìn)劑的各個主要參數(shù)，并且擁有完備的用戶操作界面，使普通用戶也可以自行調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)各個參數(shù)并且進(jìn)行仿真，使用便利且不需要用戶修改程序。

17、(4).該算法補(bǔ)充了現(xiàn)有膏體觸變推進(jìn)劑錐面燃燒算法無法計算壓力供應(yīng)的不足，且可以通過計算得到發(fā)動機(jī)各工作時刻的燃面旋轉(zhuǎn)對稱三維模型，未來可以用于觸變推進(jìn)劑錐面燃燒x光透視數(shù)據(jù)對照和膏體觸變推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生等應(yīng)用。