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开一个发动机系统设计与仿真的帖
RD2702022/12/12原创 喷气推进 IP:北京
中文摘要
计划利用一定的时间和篇幅,对现有工业界常用的液体、固体、固液混合等主流火箭发动机的设计仿真工具进行梳理总结,给出适用于初学者的中文版用户手册。理论综述与软件总结主要面向系统设计仿真,轻微涉及三维部组件设计仿真,至于较新的基于模型的系统工程方法(MBSE),则由于其需要较扎实的理论和工程基础,后续计划进行简要的入门介绍。主要目的有两个:一是尽可能使得现有火箭航模爱好者的理论和技术工具更为扎实,尽快脱离看火听响、盲目试错的层次水平;二是激发爱好者专业研究的兴趣,引到有意识地阅读专业文献,使用专业工具,吸引更多新生力量加入航空航天专业研究。本文会在后续持续更新,将结合笔者自身的代码、软件经验,并尽可能充分梳理论坛前期的各种工具、国外流行的软件方法,适度开源源码和用户手册,争取形成一个成熟可用的设计与仿真体系。
关键词
系统设计仿真工程研制火箭发动机

引言:在KC群里看到很多同学在做一些固体、液体甚至是固液混合的火箭发动机的研究。但可能由于主要是本科及以下的爱好者,大家在理论、工具等方面均有较大欠缺,重复造轮子的情况还比较严重,以至于相当一部分同学还没有达到学校航模队的门槛。火箭爱好是一个较为宽泛的范畴,最初步的理解可能就是做一个火箭,这是典型的系统研究。当然,也有喜欢做精、做细分单元的同学,这也很值得鼓励,实质上每个单机、甚至于一个小电路都是很有价值的,科学研究不会只看大而全,一个看似漂亮的吸人眼球的模型火箭,其实际价值和意义可能还不如一个精巧的电路设计、一次完善新颖的单机测试(例如具备一定的专利或者论文潜力)。各种爱好都应该得到尊重,并且更加鼓励爱好者深入细分领域做研究,而不是人人都要当“总师”,追逐“一人全能”这种虚假的荣誉。

回到我们所关心的问题本身。事实上,大多数刚入门的爱好者都还是喜欢做总体,那么我们就需要知道:系统设计与仿真技术是一个综合程度较高的学科,一定要认识到,一个人的能力是有限的,真正的总体并不是现下火热吸睛的“一个人搞全套,一人把火箭全做完”的噱头,而是对所研究对象的数理模型有深入了解,具备系统工程概念,善于分配指标并能有力统筹各细分专业。鼓励大家合作研究,既能互相取长补短、分工协作、又能集中力量办大事。当然,兴趣爱好能为大家带来成就感,并激发进一步探索的热情,这是非常值得肯定的,但更为深入的研究需要进一步地学习深造,例如进入相关机构和单位开展学术性或工程性的研究。否则只能是不了了之,纸上谈兵了。

本文结合笔者工作学习实际,计划以研究中所涉及的一些公开试验以及国内外典型公开资料为例,对现在业余/工业界常用的液体、固体、固液混合等主流火箭发动机的设计理论、仿真工具进行综述,并尽可能提供中文用户手册。一些详细的内容如果较长,将直接提供推荐权威教材名称或相关学术论文,内容以经典教材为主,笔者本人的部分研究论文为辅。后续帖子中所涉及的理论与软件工具案例主要面向系统设计仿真,少部分涉及三维部组件设计仿真,最后对基于模型的系统工程方法(MBSE)进行介绍,以期能够抛砖引玉,为同学们未来的深入研究提供帮助。

内容:

1. 系统设计理论(以文献和学生作业算例为主)

1.1 火箭发动机原理基础

1.2 喷管设计理论

1.3 热力学计算方法

1.4 系统设计平衡计算与指标分配

1.5 组件设计与参数确认

1.6 总装与工艺

1.7 试验与校准

1.8 航空航天项目与质量管理

2. 热力学计算工具

2.1 KC常用热力学软件及其汉化版本

    2.1.1 PROPEP(汉化后KCPEP2)

    2.2.2 cpropep(汉化后CpropepShell_cn)

2.2 教学与自编软件工具

    2.2.1 课题自行开发的matlab程序

    2.2.2 学生教学程序(Access to TPEQUIL,HPFLAME and UVFLAME Software

    THU热能工程系自用碳氢化合物-空气燃烧产物平衡产物计算机编码,与Stephen R. Turns的《燃烧学导论:概念与应用》(第2版)配套使用。

    2.2.3 自用某型俄罗斯热力学计算程序(俄文)

2.3 NASA CEA程序及二次开发

demo3.png

3. 液体火箭发动机系统设计方法及软件工具应用

3.1 科创论坛设计软件

    3.1.1 Rocket Designer/Rocket Designer System V2.0 (RD.exe)

    3.1.2 液机内弹道V1.0/V2.0

    3.1.3 简单matlab案例

3.2 半专业RPA液体火箭发动机设计工具及二次开发

demo2_1.png

demo2.png

3.3 工程专业系统设计工具案例与论文复现

    3.3.1 火箭发动机静特性工程求解器

    3.3.2 火箭发动机系统动/静特性通用代码

        matlab.m/C++/Fortran

    3.3.3 基于simulink的火箭发动机系统动态特性仿真

    3.3.4 火箭发动机多学科系统仿真商业平台应用实例

demo4_1.png

3.4 组件设计案例方法

    3.4.1 阀门设计与仿真

        几何/强度/流场设计工具实例(step by step)

        Auto CAD/Caxa/Solidworks/NX

        Ansys mechanical/Fluent/Star CCM/Comsol

    3.4.2 涡轮泵设计与仿真

        CF Turbo/Simerics Pumplinx/Fluent/Star CCM

    3.4.3 管路系统设计与仿真

        Flowmaster/Amesim

    3.4.4 热力组件设计与仿真

        Ansys Fluent/Star CCM

3.5 总装与工艺设计方法

       Auto CAD/Caxa/Solidworks/NX Simcenter 3D/Catia

3.6 试验设计与发动机性能校准方法

    3.6.1 试验台设计与硬件选型方法

        PLC自动控制试车台设计/Labview专业控制试车台设计与实施/FPGA、单片机定制化控制电路设计方法

        阀门选型/压力容器设计与选型/过程安全控制标准/传感器、仪器仪表使用及选取

demo10.png

    3.6.2 冷流试验设计与参数分析

    3.6.3 缩尺试验设计与参数分析

1.png

    3.6.4 半系统试验设计与数据判读

    3.6.5 全系统试验设计与故障分析

4. 固体火箭发动机设计方法及软件工具应用

4.1 科创论坛设计软件

    4.1.1 Rocket Designer/Rocket Designer System V2.0 (RD.exe)

    4.1.2  简单Excel/matlab案例

4.2 工程专业系统设计工具案例与论文复现

    4.2.1 零维内弹道求解器

        matlab.m/C++/Fortran

固发仿真——1.png

    4.2.2 固体火箭发动机高维内弹道仿真

         Ansys Fluent/Rocstar

    4.2.3 固体火箭发发动机整机仿真商业平台实例

4.3 组件设计方法

     4.3.1 喷管设计与仿真

     4.3.2 壳体结构设计与仿真

     4.3.3 绝热层设计

        Ansys Fluent/Star CCM

4.4 总装与工艺设计方法

       Auto CAD/Caxa/Solidworks/NX Simcenter 3D/Catia

4.5. 试验设计与发动机性能校准方法

    4.5.1 固发试验台设计与硬件选型方法

    4.5.2 缩尺试验设计与参数分析

20211030164555.png

    4.5.3 整机试验设计与故障分析

5. 固液混合火箭发动机工程设计方法及实用代码

6. 冲压发动机工程设计方法及实用程序

7. 基于MBSE的系统工程理论与应用

8. 国内外民营航空航天公司推介

9. 业余模型火箭的进展与案例

9.1 航模火箭设计工具

     9.1.1 发动机设计工具(同上并适当简化)

     9.1.2 简易火箭弹道设计工具

        Open Rocket的使用及二次开发

demo9.png

     9.1.3 自编火箭弹道设计工具

        matlab.m/matlab simulink工具

9.2 航模火箭的试验与新颖玩法

     9.2.1 典型模型火箭制作与试验

        模型制图与激光切割机的使用

        模型装配、胶粘工艺

        蒙皮制作

        航模发动机的使用与发控设计

demo8.jpg

demo6.png

demo7.jpg

     9.2.2 带控制的模型火箭与试验

        受限于航模本身的特性,这里的外形与控制主要是学生概念小创造,培养兴趣爱好,锻炼动手能力。并不是真正意义上的科研研究,深入研究需要转入专业领域并从基础理论和专业试验着手。

        另外,随着3D打印的普及,各种外形的火箭得以以较低的成本制造,上色装饰可使其具有一定的观赏性。

        一种简易的可实施的带姿态控制的火箭控制方法如下:

demo5.png

10. 总结展望


除经典文献外,部分仿真设计、试验来源于作者的一些公开发表的论文、多年前的一些小案例和项目,各部分内容将在后续逐渐补充,有兴趣的同学也可以参与补充与完善。



来自:航空航天 / 喷气推进严肃内容:教程/课程
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~~空空如也
wchx0121
1年3个月前 IP:陕西
918115

您好,读了您的帖子,我受益匪浅,进一步了解了发动机设计仿真领域,想找您咨询如下两个问题,请不吝赐教:
(1)我想用simulink编写一个液体火箭发动机的动态仿真代码,目前代码编写好了,但由于很多参数不知道在什么地方找,导致求解一直无法收敛,在液体火箭发动机系统建模和仿真的学习和编程方面(什么编程语言都可以),请问能不能给点学习和编程实现的建议?
(2)您在文章说的发动机静特性工程模拟器、通用代码等,我在网上没有搜到,请问在什么地方可以查到吗?

希望得到您的回复,谢谢!!!

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