临界阻尼比法在POGO振动稳定性分析中的适用性

以典型的单元推进剂液体火箭模型为例,通过Hurwitz稳定性判据导出POGO振动稳定的充分必要条件,在此基础上深入研究阻尼比等参数对POGO振动稳定性的影响机理。研究发现,当结构阻尼比小于推进系统阻尼比时,结构阻尼比对于POGO振动稳定性的影响是单调上升的,此时临界阻尼比法是适用的;当结构阻尼比大于推进系统阻尼比时,结构阻尼比对于POGO振动稳定性的影响则是非单调和复杂的,增加结构阻尼比,可能提高系统稳定性,也可能降低系统稳定性,此时临界阻尼比法已不适用。相同的结论适用于推进系统阻尼比。本文还进一步指出结构与推进系统的耦合强度是POGO振动稳定性的决定因素。

液体火箭的POGO振动研究与参数分析

通过建立一个蓄压器-推进系统的耦合动力学模型,研究了蓄压器对推进系统振动频率的影响,并利用临界阻尼法分析了蓄压器-推进系统的稳定性。分析结果表明,临界阻尼比的增大会导致火箭结构系统失稳,而增大蓄压器气蚀柔度可降低临界阻尼比,提高系统稳定性;产生POGO振动时,结构振动的加速度响应最大,且推力脉动与加速度响应的相位差为-π/2;蓄压器在推进系统上的安装位置对POGO抑制有重要影响,给出了蓄压器安装的最佳位置。

液体火箭Pogo振动蓄压器非线性仿真研究

本文针对液体火箭推进系统中的Pogo振动现象提出了一种非线性的仿真方法。传统的线性管路模型可以用来进行Pogo振动的稳定性分析;但直接用于振动过程的仿真时,却与实际发生的振动现象差别较大。这些稳定性分析方法中,蓄压器元件采用的是在工作状态附近线性化的模型,而本文从蓄压器中工作气体状态方程出发,建立蓄压器的非线性模型,并对管路和箭体结构耦合系统的状态方程进行了时域仿真。仿真结果表明非线性模型不仅可以反映出系统每个时刻的稳定性,而且可以再现Pogo振动失稳时发散和收敛的过程,特别是失稳时蓄压器处压力脉动变化的非对称特点。这些都非常符合Pogo振动的观察结果。

捆绑火箭POGO振动动力学模型的研究

确定了捆绑火箭POGO振动动力学模型中蓄压器的最佳安装位置,简化了液体捆绑火箭动力学模型。基于AMESim软件搭建捆绑火箭动力学仿真模型,分析了蓄压器的安装位置对捆绑火箭POGO振动系统的系统阻尼比的影响,以及贮箱、直管、泵和推力室产生的作用力对系统阻尼比的影响。结果表明:蓄压器安装在芯级氧路和助推氧路的系统阻尼比提升最大,POGO振动的抑制效果最好;推力室产生的作用力对系统阻尼比的影响占主导地位,故仅需考虑推力室产生的作用力,以简化捆绑火箭POGO振动动力学模型。该研究可应用于POGO振动的仿真过程。

基于中心流形理论的液体火箭POGO振动系统Hopf分岔点特性

火箭飞行过程中不安定因素主要是液体火箭POGO振动所引起的低频振动,其由火箭纵向结构壳体与液体燃料发生共振所产生的。液体火箭POGO振动其实质就是流固耦合问题,为了解决这一难题同时降低成本,大多数学者采用理论计算与实验模拟相结合的方法。然而,其计算过程的简化过于复杂。通过质量守恒,动量定理以及牛顿第二定律建立了液体火箭POGO振动的非线性动力学模型,利用中心流形理论进行系统降维,并通过附属正规形法获得分岔方程,研究系统Hopf分岔点,得出在泵气蚀刚度系数的某一范围内,分岔参数的幂运算对分岔类型的判断有重要影响,从而为抑制液体火箭POGO振动的发生提供相关理论依据。

CZ2F火箭POGO振动信号特征频率提取

CZ2F运载火箭在第5次飞行过程中意外出现了"8Hz"POGO振动现象,该振动频率对箭体的稳定性和航天员安全产生了严重的影响。为解决这一振动问题,必须精确分析该频率的持续时间和振动量级。通过研究HHT(Hilbert-Huang Transform,希尔伯特-黄变换)方法,结合火箭振动信号特点设计了特征频率提取算法,成功地提取了CZ2F火箭飞行中的"8Hz"POGO振动频率,为有效解决"8 Hz"POGO振动问题提供了技术支撑。

液体火箭POGO振动分析的矢量拟合法

针对液体火箭的POGO振动现有分析方法存在不足的问题。建立了火箭推进-结构系统的传递函数,采用矢量拟合法对传递函数进行有理分式拟合,借助稳态图法确定传递函数稳定的极点,进而通过极点分布判断POGO稳定性;进一步分析了蓄压器不同设计状态对POGO振动的抑制效果并与临界阻尼法进行了对比。结果表明矢量拟合法比临界阻尼法具有更高的精度,并确定蓄压器PV值在0.157~0.196 MPaL范围内抑制效果最好;该方法可为其它液体火箭的POGO振动抑制提供参考。

推进系统参数变化对液体火箭纵向振动响应的影响分析

为了优化液体火箭推进系统,避免POGO振动引起液体火箭低频振动环境恶化对火箭飞行过程的不利影响,建立了液体火箭POGO振动系统的动力学模型,利用动态灵敏度技术,提出了液体火箭纵向振动响应对推进系统参数的灵敏度时域分析模型。通过数值仿真,得到了推进系统流体惯性、阻力和刚度参数以及泵的动态增益变化对液体火箭纵向振动响应的影响规律。研究结果表明,液体火箭纵向振动响应对流体惯性和阻力参数的敏感程度比流体刚度参数明显大,泵动态增益的变化对液体火箭纵向振动响应的影响最大,泵前短管的流体刚度变化对液体火箭纵向振动响应的影响最小。为减小液体火箭纵向振动,进一步研究POGO振动特性提供参考。

基于特征空间变换的运载火箭Pogo模型降阶方法

针对运载火箭Pogo状态空间模型存在维数高和奇异性的问题,开展了Pogo模型的降阶方法研究。基于特征空间变换理论,导出了一般形式的Pogo状态空间模型的解耦形式。该形式与推进系统和结构系统的模态频率相对应,从而通过模态截断或保留感兴趣的模态实现有效的模型降阶。同时,还给出了降阶方法的实数运算公式。在两种不同型号推进系统的火箭Pogo问题中进行了仿真校验。结果表明所提出的降阶方法对奇异和非奇异Pogo状态空间模型都能给出正确的降阶模型,显著地提高计算效率,具有很好的通用性,为Pogo时域仿真和主动抑制提供了合适的模型。

运载火箭POGO主动抑制的LQR控制器设计

针对传统蓄压器难以满足大型捆绑火箭的Pogo抑制要求的问题,本文提出了基于LQR控制器设计的Pogo主动抑制方法。以采用低温液氧/煤油补燃循环发动机的某运载火箭为研究对象,建立了Pogo主动控制单元模型,导出了Pogo控制系统的状态空间模型;以泵入口压强最小为指标,设计了LQR全状态反馈控制器和部分状态反馈控制器,实现运载火箭Pogo振动的主动抑制;进而研究了控制器尺寸及安装位置对控制效果的影响。最后通过对某型号运载火箭Pogo主动抑制设计的稳定性分析和时域仿真,表明所设计的Pogo主动抑制器有效地提高了系统阻尼、抑制了Pogo振动,对模型偏差具有很强的鲁棒性,优于传统的蓄压器设计;并且对控制器尺寸和安装位置不敏感,有利于工程实现。

液体火箭推进系统频率特性的灵敏度分析

针对液体火箭飞行过程中POGO振动对火箭系统的不利影响,建立了液体火箭推进系统动力学模型,以区间数学为理论基础,对推进系统频率特性进行灵敏度分析,得到了推进系统的流体惯性、阻力和刚度参数对推进系统频率特性的影响规律。研究结果表明:液体火箭推进系统振动频率对流体惯性参数的敏感程度比流体阻力参数和流体刚度参数明显大,泵前短管流体惯性的变化对推进系统振动频率的影响最大,补偿管路流体刚度的变化对推进系统振动频率的影响最小。为合理设计推进系统的动力学参数,降低推进系统的振动频率,抑制POGO振动的发生提供理论依据。

液体运载火箭推进系统固有频率的通用化计算研究

为了能够快速有效地对各种构型的液体运载火箭可能出现的POGO振动问题进行初步分析,对液体运载火箭推进系统固有频率的通用化计算问题进行了研究。采用模块化的部件动力学方程进行通用化建模,并引入粒子群优化算法来解决通用化模型带来的高阶方程的求解问题。最后,针对某发动机液氧系统进行了固有频率计算,并讨论了粒子群优化算法的求解效率,以及蓄压器对固有频率的影响。研究成果可进一步应用于液体运载火箭POGO振动的稳定性分析及其抑制研究。

注气式蓄压器系统工作特性仿真分析

以大型运载火箭POGO稳定性为研究背景,针对国内尚无型号应用的注气式蓄压器开展仿真研究。在建立注气式蓄压器动力学模型的基础上,利用航天飞机主发动机的相关参数验证了仿真计算的准确性。仿真计算了蓄压器对推进系统固有频率的影响和四种不同蓄压器的推进系统频率特性。研究了注气流量、注气温度、排气流量和排气时间对蓄压器工作特性的影响。仿真结果表明,随着蓄压器入口压力的增大,溢流孔靠近底部的蓄压器气枕压缩量减小;注气式蓄压器比贮气式蓄压器能够更有效地避免推进系统频率与箭体结构频率相交。

德尔它Ⅱ主液氧箱双级增压系统

以前的德尔它运载火箭在第一级主发动机关机(MECO)以前不久,就已经受了一个纵向的动态不稳定性振动,即“POGO”。为了防止这种动态现象的发生,就必须在 MECO 之前将主液氧箱的最低限度的释放压力从31.0psig 增加为53.0psig。必须设计这样一个系统,它能在飞行的某时刻增加贮箱的释放压力,以使贮箱底部的静压足够低,从而避免超过结构的极限。因此,为满足这些要求研制了德尔它Ⅱ主液氧箱双级增压系统。到目前为止,德尔它Ⅱ已经进行了9次飞行,而且所设计的主液氧箱双级增压系统已按预期的情况工作,并成功地消除了MECO 时的“POGO”问题。