CN115168998A - 一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火箭发动机动态特性仿真方法，具体涉及一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，解决了现有技术中存在的系统模型建立难度大、对开发者要求高、建立的模型实用性差的问题；该方法包括如下步骤：确定动态特性仿真目标‑构建概念模型‑建立液体火箭发动机建模仿真系统‑开发基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库‑液体火箭发动机系统模型搭建‑液体火箭发动机系统模型验证‑液体火箭发动机动态特性仿真应用；该方法采用本发明的液体火箭发动机建模仿真系统，组件模型可以组合快速构建任何型号的液体火箭发动机系统模型。

Description

一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法

技术领域

本发明涉及一种火箭发动机动态特性仿真方法，具体涉及一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法。

背景技术

液体火箭发动机是一个包含诸多非稳态过程的、极其复杂的动力学系统。发动机的起动、关机、调节控制等都涉及到系统动态特性的研究。在液体火箭发动机发展的过程中，如何对液体火箭发动机在其运行的过程中进行分析成为了最重要的一点，也是最难的一点。液体火箭发动机系统动态特性的分析和研究可以采用试验的方式，通过对以往设计出的液体火箭发动机进行分析，最终制定新的液体火箭发动机控制方案，对于不同工况下的液体火箭发动机进行测试，从而获得液体火箭发动机的系统动态特性。试验的方式通常会耗费大量人力、财力、物力，并且液体火箭发动机的工作过程受诸多因素影响，仅依靠试验方式对各种影响因素及其组合进行分析非常困难。与试验研究相比，计算机仿真技术不仅能够指导发动机设计、缩短研制周期、节约经费，而且具有良好的可控性、可观性、安全性、重复性和经济性等特点，已成为现有发动机系统方案改进和新型发动机系统研制的基础之一，逐渐成为发动机系统动态特性研究的主要手段。

目前发动机动态特性仿真主要采用因果式建模方法来实现模型的开发，这种开发方式，不仅需要开发者对复杂系统进行解耦，清楚的定义模型的输入输出，而且需要开发者掌握复杂系统模型的编译和求解技术，受到这两点要求的制约，通过此方法开发的模型很难得到实际应用的认可。

发明内容

本发明目的是解决现有技术中存在的系统模型建立难度大、对开发者要求高、建立的模型实用性差的问题，而提出了一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法。

为了实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：确定动态特性仿真目标

根据液体火箭发动机动态分析的任务，确定动态特性仿真的目标和扩展用途；

步骤2：构建概念模型

通过液体火箭发动机的原理框图辅助分析液体火箭发动机现象的原理和机制，构建液体火箭发动机的概念模型；

步骤3：建立液体火箭发动机建模仿真系统

依据液体火箭发动机的概念模型，建立由数据层、功能支撑层和用户交互层三部分组成的液体火箭发动机建模仿真系统，所述液体火箭发动机建模仿真系统支持系统模型建立及其仿真实现的过程；

步骤4：开发基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库

步骤4.1，开发基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库架构，对液体火箭发动机建模仿真系统进行自上向下分解，逐层级明确建模任务；

步骤4.2，明确建模任务后，按照自下向上的方式进行组装，完成液体火箭发动机动态模型库的开发；

步骤5：液体火箭发动机系统模型搭建

基于液体火箭发动机建模仿真系统和液体火箭发动机动态模型库，搭建液体火箭发动机各子系统，再由各子系统搭建主系统，从而完成液体火箭发动机系统模型搭建；

步骤6：对完成搭建的液体火箭发动机系统模型进行验证；

步骤7：液体火箭发动机动态特性仿真应用

根据步骤1确定的液体动力系统动态特性仿真目标，通过液体火箭发动机系统模型获取所需的信息和知识，开展液体火箭发动机动态特性的仿真分析。

进一步地，步骤4.1中，对系统进行自上向下分解包括：从系统描述、系统分解到接口定义、子系统分解，再到部件建模，最后进行参数确认；

步骤4.2中，按照自下向上的方式进行组装具体为：从元件定义、部件建模到子系统建模、接口抽象，再到层次封装和系统组装，最后进行参数确认。

进一步地，步骤6具体为：依据已有的经验数据、组件测试数据、飞行数据、发动机试车数据或积累的数据与搭建的液体火箭发动机系统模型所得数据进行对比，若偏差符合要求则完成搭建的液体火箭发动机系统模型的验证，若偏差不符合要求则返回步骤4。

进一步地，步骤5中，所述搭建液体火箭发动机各子系统具体为：将需要搭建的子系统模型在加载的液体火箭发动机动态模型库中找到相应的组件模型，选中后采用拖拽的方式进行实例化，然后将组件之间的接口相连，实现子系统模型的搭建。

进一步地，步骤3中，所述数据层是软件数据的存储和获取的来源，其包括模型库、数据库；所述模型库是基于文件的关系数据库，所述模型库用于保存包括热力组件、阀门组件、介质模型、管道组件和容器组件在内的模型；所述数据库包括文件数据库与关系数据库，所述文件数据库包括模型模板数据库、仿真结果数据库、仿真报告数据库以及模型库数据库，所述关系数据库包括产品数据库；

所述功能支撑层用于为所述用户交互层提供数据管理、功能支撑和扩展接口；所述的数据管理即为仿真过程中产生的数据的管理，包括系统模型模板管理、模型视图管理、仿真实例管理和模型版本管理；所述的功能支撑即为对本地设计资源库的管理和本地模型库的管理；所述的扩展接口即为实现外部应用的数据的交互；

所述用户交互层是平台与用户的界面交互和界面显示的功能层，其包含模块有系统模板管理器、模型版本管理器、产品数据管理面板、模型图形编辑视图、模型文本编辑视图、模型(库)浏览器、组件浏览器、系统信息输出界面、参数编辑面板、监视变量操作面板、仿真实例管理面板、曲线输出窗口、实时曲线显示、仿真报告生成向导、帮助查询与显示等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1.通过本发明所提出的基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性分析方法的应用，液体火箭发动机系统的每个组件模型都是独立的模型，以物理上最自然的方式单独开发，不用明确定义输入输出变量和方程求解顺序；组件模型与外界的通讯交互通过非因果的连接器机制实现，整个方程系统只在求解时由仿真系统根据数据流环境自动确定变量的因果关系；

2.采用本发明的建模仿真系统，组件模型可以组合快速构建任何型号的液体火箭发动机系统模型，对于液体火箭发动机系统这样大型的复杂系统，无需对系统进行解耦和规定组件输入输出及方程求解顺序，大大地降低了液体火箭发动机系统模型构建的难度和复杂度，减轻建模工作量，也避免了人工指定求解顺序时引起的错误，显著地提高模型的重用性、可扩展性、灵活性和知识积累能力，在建模仿真系统的支持下，实现模块化、参数化和可视化。

附图说明

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例建立的液体火箭发动机建模仿真系统的用户交互层示例；

图3为本发明实施开发的基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库中涡轮泵分系统、离心泵子系统的架构示意图；

图4为本发明实施例基于所开发的液体火箭发动机建模仿真系统和动态模型库搭建的液体火箭发动机系统模型示意图；

图5为本发明实施例中液体火箭发动机的氢预燃室在启动过程压强变化示意图；

图6为本发明实施例中液体火箭发动机的氢预燃室在启动过程温度变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。本实施例采用的液体火箭发动机为SSME火箭发动机。

如图1所示，一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：确定动态特性仿真目标

根据液体火箭发动机动态分析的任务，确定动态特性仿真的目标和扩展用途，明确必须通过系统模型才能获得的信息和系统模型不需要考虑的信息。

步骤2：构建概念模型

通过液体火箭发动机的原理框图辅助分析液体火箭发动机现象的原理和机制，构建液体火箭发动机的概念模型；概念模型帮助工程师全面了解物理系统，反映建模思路。

步骤3：建立液体火箭发动机建模仿真系统

建立由数据层、功能支撑层和用户交互层三部分组成的液体火箭发动机建模仿真系统，所述液体火箭发动机建模仿真系统支持系统模型建立及其仿真实现的所有过程；

数据层是软件数据的存储和获取的来源，其包括模型库、数据库；模型库是基于文件的关系数据库，模型库用于保存包括热力组件、阀门组件、介质模型、管道组件和容器组件在内的模型；数据库包括文件数据库与关系数据库，所文件数据库包括模型模板数据库、仿真结果数据库、仿真报告数据库以及模型库数据库，关系数据库包括产品数据库。

功能支撑层用于为用户交互层提供数据管理、功能支撑和扩展接口；数据管理即为仿真过程中产生的数据的管理，包括系统模型模板管理、模型视图管理、仿真实例管理和模型版本管理；功能支撑即为对本地设计资源库的管理和本地模型库的管理；扩展接口即为实现外部应用的数据的交互。

如图2所示，用户交互层是平台与用户的界面交互和界面显示的功能层，其包含模块有系统模板管理器、模型版本管理器、产品数据管理面板、模型图形编辑视图、模型文本编辑视图、模型(库)浏览器、组件浏览器、系统信息输出界面、参数编辑面板、监视变量操作面板、仿真实例管理面板、曲线输出窗口、实时曲线显示、仿真报告生成向导、帮助查询与显示等。

步骤4：开发基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库

如图3所示，开发基于Modelica语言的发动机动态模型库架构，首先对发动机建模仿真系统进行自上向下的分解，从系统描述、系统分解到接口定义、子系统分解，以及最后的部件建模，参数确认，逐层级明确建模任务；明确每一层级的建模任务之后，按照自下向上的方式，从元件定义、部件建模到子系统建模、接口抽象，以及层次封装和系统组装，最后进行参数确认。

按照该方式，将基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库分解为发生器分系统、涡轮泵分系统、燃烧分系统、分系统间连接关系以及环境五部分，本实施例以涡轮泵分系统为例，再将涡轮泵分系统分解为液体管路、涡轮、离心泵以及单机间连接关系等，以离心泵为例，再将其分解为泵特性、介质以及接口三部分，接着再将泵特性、介质以及接口分别根据模型假设进行部件建模、参数确认等，明确每一层级的建模任务；明确每一层级的建模任务之后，按照自下向上的方式进行组装。

步骤5：液体火箭发动机系统模型搭建

如图4所示，基于所开发的液体火箭发动机建模仿真系统和动态模型库，在加载的动态模型库中找到各子系统对应的组件模型，选中后采用拖拽的方式进行实例化，然后将组件之间的接口相连，完成搭建液体火箭发动机各子系统，如氧化剂路主系统、燃料路主系统和燃气副系统等，再由各子系统搭建主系统，如开式循环系统、补燃循环系统和挤压系统。

图4中CCV代表冷却流量控制阀、MFV代表主燃料控制阀、FPOV代表氢侧预燃室氧化剂控制阀、OPOV代表氧侧预燃室氧化剂控制阀、MOV代表氧主控阀。

步骤6：对完成搭建的液体火箭发动机系统模型进行验证

如表1所示，将上述液体火箭发动机系统模型计算结果中喷管进口温度、喷管的质量流量、发动机推力、发动机比冲四个液体火箭发动机启动稳态值与参考算例计算结果进行对比，可以看出，液体火箭发动机启动进行动态特性计算分析的结果基本与计算结果偏差均在10％以内，符合动态分析精度要求。

表1

步骤7：液体火箭发动机动态特性仿真应用

系统模型检验完成后，根据液体动力系统动态分析的任务要求，开展相关的仿真分析，通过系统模型获取所需的信息和知识，通过图5、图6计算结果示例，可以清楚明晰的看出氢预燃室在启动过程压强和温度随时间变化情况；通过本发明显著地提高模型的重用性、可扩展性、灵活性和知识积累能力，在建模仿真系统的支持下，实现模块化、参数化和可视化。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定动态特性仿真目标

根据液体火箭发动机动态分析的任务，确定动态特性仿真的目标和扩展用途；

步骤2：构建概念模型

通过液体火箭发动机的原理框图辅助分析液体火箭发动机现象的原理和机制，构建液体火箭发动机的概念模型；

步骤3：建立液体火箭发动机建模仿真系统

依据液体火箭发动机的概念模型，建立由数据层、功能支撑层和用户交互层三部分组成的液体火箭发动机建模仿真系统，所述液体火箭发动机建模仿真系统支持系统模型建立及其仿真实现的过程；

步骤4：开发基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库

步骤4.1，开发基于Modelica语言的液体火箭发动机动态模型库架构，对液体火箭发动机建模仿真系统进行自上向下分解，逐层级明确建模任务；

步骤4.2，明确建模任务后，按照自下向上的方式进行组装，完成液体火箭发动机动态模型库的开发；

步骤5：液体火箭发动机系统模型搭建

基于液体火箭发动机建模仿真系统和液体火箭发动机动态模型库，搭建液体火箭发动机各子系统，再由各子系统搭建主系统，从而完成液体火箭发动机系统模型搭建；

步骤6：对完成搭建的液体火箭发动机系统模型进行验证；

步骤7：液体火箭发动机动态特性仿真应用

根据步骤1确定的液体动力系统动态特性仿真目标，通过液体火箭发动机系统模型获取所需的信息和知识，开展液体火箭发动机动态特性的仿真分析。

2.根据权利要求1所述的基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，其特征在于：

步骤4.1中，对系统进行自上向下分解包括：从系统描述、系统分解到接口定义、子系统分解，再到部件建模，最后进行参数确认；

步骤4.2中，按照自下向上的方式进行组装具体为：从元件定义、部件建模到子系统建模、接口抽象，再到层次封装和系统组装，最后进行参数确认。

3.根据权利要求2所述的基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，其特征在于：

步骤6具体为：依据已有的经验数据、组件测试数据、飞行数据、发动机试车数据或积累的数据与搭建的液体火箭发动机系统模型所得数据进行对比，若偏差符合要求则完成搭建的液体火箭发动机系统模型的验证，若偏差不符合要求则返回步骤4。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，其特征在于：

步骤5中，所述搭建液体火箭发动机各子系统具体为：将需要搭建的子系统模型在加载的液体火箭发动机动态模型库中找到相应的组件模型，选中后采用拖拽的方式进行实例化，然后将组件之间的接口相连，实现子系统模型的搭建。

5.根据权利要求4所述的基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，其特征在于：

步骤3中，所述数据层是软件数据的存储和获取的来源，其包括模型库、数据库；

所述支撑层用于为所述用户交互层提供数据管理、功能支撑和扩展接口；

所述用户交互层是平台与用户的界面交互和界面显示的功能层。

6.根据权利要求5所述的基于Modelica语言的液体火箭发动机动态特性仿真方法，其特征在于：

所述模型库是基于文件的关系数据库，用于保存热力组件、阀门组件、介质模型、管道组件和容器组件的模型；所述数据库包括文件数据库与关系数据库，所述文件数据库包括模型模板数据库、仿真结果数据库、仿真报告数据库以及模型库数据库，所述关系数据库包括产品数据库；所述的数据管理为仿真过程中产生的数据的管理，包括系统模型模板管理、模型视图管理、仿真实例管理和模型版本管理；所述的功能支撑即为对本地设计资源库的管理和本地模型库的管理；所述的扩展接口即为实现外部应用的数据的交互；

所述用户交互层包括系统模板管理器、模型版本管理器、产品数据管理面板、模型图形编辑视图、模型文本编辑视图、模型浏览器、组件浏览器、系统信息输出界面、参数编辑面板、监视变量操作面板、仿真实例管理面板、曲线输出窗口、实时曲线显示、仿真报告生成向导以及帮助查询与显示。

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