本发明涉及一种估算办法,具体地,涉及一种喷涂型烧蚀燃气舵起烧时刻点估算办法。
背景技术:
喷涂型烧蚀燃气舵是指在火箭发动机燃气流中,通过偏转角度而获得气动力和力矩的部件。该型舵的舵面面积和舵面效率随工作时间增加而减少。喷涂型烧蚀燃气舵通过喷涂工艺,在燃气舵的合金基体表面沉淀单/多层耐高温保护层的舵面。基体熔点较低,一般低于燃气流静温,涂层则可耐高温。
喷涂型烧蚀燃气舵起烧时刻点tm是关键设计指标。是指该型燃气舵在工作中,舵面气动效率由于舵面烧蚀发生急剧减少的时刻拐点。当t<tm时,舵面基本保持完好,舵面气动效率保持稳定;在t>=tm时,舵面快速烧蚀完毕(一般在数秒内),舵面气动效率快速归零。
由于喷涂型烧蚀燃气舵烧蚀机理复杂,用理论计算和cfd仿真技术都无法获得准确的起烧点。一般研制新的喷涂型烧蚀燃气舵时,采用事先估算舵面喷涂参数指导加工燃气舵面,之后通过搭载发动机热试车并采集期间舵面气动特性,间接推算出舵面起烧点。由于燃气舵起烧点与舵面形状、涂层规格和发动机状态密切相关,传统方法研制新型燃气舵需要反复试验,改进舵面设计,最终导致经费花费较多,周期也很长。
技术实现要素:
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种喷涂型烧蚀燃气舵起烧时刻点估算办法,其数据准备方便,计算简单,试车次数少,结果准确度可满足工程设计需要。
根据本发明的一个方面,提供一种喷涂型烧蚀燃气舵起烧时刻点估算办法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,以舵面前缘涂层厚度、舵面涂层平均厚度和火箭发动机初温为参数,建立估算方法如下式所示,
tm=tm(lf,la,tr)
其中,tm表示舵面起烧时刻点,tm()表示舵面起烧函数,lf表示舵面前缘涂层厚度,la表示舵面除前缘外其他部位涂层平均厚度,tr表示试车前火箭发动机初始温度;
步骤二,通过喷涂烧蚀型燃气舵面搭载火箭发动机得到多组试验数据,进行数据拟合,得到具体函数表达式tm()。
优选地,所述步骤一包括以下步骤:
步骤十,当基体温度上升到温度tth,基体体积膨胀过大,表面防热涂层发生破裂,燃气流热量通过裂隙直接影响基体,使基体温度进一步上升;当基体温度超过基体材料熔点tm时,基体发生融化,此时,燃气舵面结构强度快速下降,在燃气流高动压冲刷作用下,燃气舵结构分解,即燃气舵发生烧蚀现象;从燃气舵开始分解,舵面效率也随之快速下降;具体讲,舵面烧蚀起始点tm与舵面基体温度升到tm时刻一致,tm如下式所示,求出函数tm()即可得到tm;
tm=tm(lf,la,tr)
步骤十一,涂层和基体都具有较好的各向同性热性能,若燃气流参数(比热比、动压等)保持稳定,则tm()与火箭发动机装药和喷管出口特性、舵面前缘涂层厚度和涂层平均厚度存在如下式所示,
tm=(k0·t0+k1·lf+k2·la)/la
其中,t0表示待定参数,与发动机装药和喷管出口参数有关,k0,k1,k2表示待定系数,与舵面前缘和舵面翼型有关,上式公式中,有四个未知系数t0,k0,k1,k2,通过最少四个舵面搭载试验即可获得系数;
步骤十二,通过某型喷涂烧蚀燃气舵面和某型初温tr=+20℃丁羟发动机,搭载试验获得多组试验数据,经过数据拟合,得到如下式所示:
tm=(3.0·2.4+0.73·lf+0.27·la)/la
步骤十三,对于特定温度发动机,燃气舵起烧点仅取决于舵面涂层厚度,尤其是前缘厚度lf,不同初温发动机的燃气流参数会发生变化;
步骤十四,通过使用同规格涂层的舵面,搭载不同初温发动机获得的多组试验数据,经过拟合,可以得到初温tr对于tm的影响,得到tm如下式所示,只要获得lf、la和tr,即可预估舵面起烧时刻点tm;
tm=(3.0·2.4+0.73·lf+0.27·la)/la·(12.26-0.02·(tr+273))。
所述步骤二包括以下步骤:
步骤二十一,通过测量机构获取搭载舵面在燃气流中的气动力数据,经过计算,得到舵面效率;
步骤二十二,检查舵面效率发生明显变化的数据点,则对应的时刻就是舵面起烧点tm;
步骤二十三,通过多次火箭发动机搭载试验数据定性分析,剔除会影响tm的若干初始条件,如舵面平面形状、舵面前缘后掠角,舵面相对发动机喷管位置等因素后,则影响tm的只有lf,la和tr;通过合并相同初始条件的舵面试车数据,经过线性拟合,求出方程中的系数,最后得到lf,la和tr对tm影响的表达式;
步骤二十四,进一步,对大量搭载试验的tm对lf,la和tr进行上述过程,将系数进行最小二乘法消除误差,得到函数表达式tm()。
与现有技术相比,现有技术中的舵面搭载发动机试验是设计寻优手段,需要的试验次数多,周期和经费都很大。而通过本发明办法,得到喷涂型烧蚀燃气舵起烧点时刻,进而指导燃气舵涂层设计,舵面搭载发动机试车则从寻优手段变成了验证设计,经济节省效果明显,舵面研制周期显著缩短。通过这种方法设计燃气舵,试车次数可以降低60%以上,节约资金达到百万元以上,且计算结果的准确度可满足工程设计需要。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为喷涂型烧蚀燃气舵的搭载试验时舵面气动效率和时间点示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示,本发明喷涂型烧蚀燃气舵起烧时刻点估算办法包括以下步骤:
步骤一,以舵面前缘涂层厚度lf、舵面涂层平均厚度la和火箭发动机初温tr为参数,建立估算方法如下式(1)所示,
tm=tm(lf,la,tr)......(1)
其中,tm表示舵面起烧时刻点,tm()表示舵面起烧函数,lf表示舵面前缘涂层厚度(mm),la表示舵面除前缘外其他部位涂层平均厚度(mm),tr表示试车前火箭发动机初始温度(℃);
步骤二,通过喷涂烧蚀型燃气舵面搭载火箭发动机得到多组试验数据,进行数据拟合,得到具体函数表达式tm()。
具体来讲,通过如下步骤获取表达式tm(),即步骤二包括以下步骤:
步骤二十一,通过测量机构获取搭载舵面在燃气流中的气动力数据,经过计算,得到舵面效率。
步骤二十二,检查舵面效率发生明显变化的数据点,则对应的时刻就是舵面起烧点tm;
步骤二十三,通过多次火箭发动机搭载试验数据定性分析,剔除会影响tm的若干初始条件,如舵面平面形状、舵面前缘后掠角,舵面相对发动机喷管位置等因素后,则影响tm的只有lf,la和tr。通过合并相同初始条件的舵面试车数据,经过线性拟合,求出方程中的系数,最后可以得到lf,la和tr对tb影响的表达式;
步骤二十四,进一步,对大量搭载试验的tm对lf,la和tr进行上述过程,将系数进行最小二乘法消除误差,得到函数表达式tm()。不同的初始条件,tm()有不同的表达形式,具体可以参考下文叙述。
所述步骤一包括以下步骤:
步骤十,当基体温度上升到温度th,基体体积膨胀过大,表面防热涂层发生破裂,燃气流热量通过裂隙直接影响基体,使基体温度进一步上升;当基体温度超过基体材料熔点tm时,基体发生融化,此时,燃气舵面结构强度快速下降,在燃气流高动压冲刷作用下,燃气舵结构分解,即燃气舵发生烧蚀现象;从燃气舵开始分解,舵面效率也随之快速下降;具体讲,舵面烧蚀起始点tm与舵面基体温度升到tm时刻一致,即tm如式(2)所示,求出函数tm()可得到tm;
tm=tm(lf,la,tr)......(2)
步骤十一,涂层和基体都具有较好的各向同性热性能,若燃气流参数(比热比、动压等)保持稳定,则tm()与火箭发动机装药和喷管出口特性、舵面前缘涂层厚度和涂层平均厚度存在如下式(3)所示,
tm=(k0·t0+k1·lf+k2·la)/la......(3)
其中,t0表示待定参数,与发动机装药和喷管出口参数有关,k0,k1,k2表示待定系数,与舵面前缘和舵面翼型有关,上式公式(3)中,有四个未知系数t0,k0,k1,k2,通过最少四个舵面搭载试验即可获得系数;
步骤十二,通过某型喷涂烧蚀燃气舵面和某型初温tr=+20℃丁羟发动机,搭载试验获得多组试验数据,经过数据拟合,得到如下式(4)所示;
tm=(3.0·2.4+0.73·lf+0.27·la)/la......(4)
步骤十三,对于特定温度发动机,燃气舵起烧点仅取决于舵面涂层厚度,尤其是前缘厚度lf,不同初温发动机的燃气流参数会发生变化;
步骤十四,通过使用同规格涂层的舵面,搭载不同初温发动机获得的多组试验数据,经过拟合,可以得到初温tr对于tm的影响,得到tm如下式(5)所示,只要获得lf、la和tr,即可预估舵面起烧时刻点tm。
tm=(3.0·2.4+0.73·lf+0.27·la)/la·(12.26-0.02·(tr+273))......(5)
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。