CN115238421A - 多脉冲燃气发生器装药构型设计方法、装置和计算机设备 - Google Patents

多脉冲燃气发生器装药构型设计方法、装置和计算机设备 Download PDF

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CN115238421A CN202211161843.0A CN202211161843A CN115238421A CN 115238421 A CN115238421 A CN 115238421A CN 202211161843 A CN202211161843 A CN 202211161843A CN 115238421 A CN115238421 A CN 115238421A
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Abstract

本申请涉及一种多脉冲燃气发生器装药构型设计方法、装置和计算机设备，包括：获取目标质量流量‑时间曲线，根据目标质量流量‑时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；根据目标质量流量和目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；根据最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。采用本发明能提高多脉冲燃气发生器装药构型设计效率。

Description

多脉冲燃气发生器装药构型设计方法、装置和计算机设备
技术领域
本申请涉及构型设计技术领域，特别是涉及一种多脉冲燃气发生器装药构型设计方法、装置和计算机设备。
背景技术
固体姿轨控系统（Solid Divert and Attitude Control System, SDACS）常被应用于动能拦截器，为其提供大机动变轨和快速姿态调节的动力。对于传统的燃气发生器而言，其中的固体推进剂一旦被点燃便难以中断，因此无法实现推力的终止和多次启停。而多脉冲燃气发生器是在燃烧室内装填多个推进剂单元，并且共用一个燃烧室，通过控制各个推进剂单元的点火时间间隔，从而实现多次推力控制，为姿轨控系统提供较强的灵活性，节约非工作时间的推进剂消耗，降低姿轨控系统总质量。
目前常用的多脉冲燃气发生器装药构型设计方法与固体火箭发动机中的端面燃烧发动机设计过程基本类似，设计好每一根药柱的燃烧面积与燃速后进行内弹道计算，得到该构型下质量流量随时间的变化曲线，然后再用优化算法调整构型设计参数，使其匹配目标质量流量随时间的变化曲线
Figure 71143DEST_PATH_IMAGE001
，最终完成设计。目前多脉冲燃气发生器构型设计的缺点在于：设计过程为正向过程，需要利用优化算法不断调整装药构形参数，使得其对应的内弹道计算结果所得
Figure 818519DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 232183DEST_PATH_IMAGE003
匹配，在目标脉冲数较多的情况下，装药构型参数也成倍增长，设计过程迭代次数多，需要大量进行燃面计算与内弹道计算；同时，受限于优化算法原理，
Figure 115825DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 589532DEST_PATH_IMAGE005
之间必然存在一定误差。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种多脉冲燃气发生器装药构型设计方法、装置和计算机设备，以便提高多脉冲燃气发生器装药构型设计效率。
一种多脉冲燃气发生器装药构型设计方法，所述方法包括：
获取目标质量流量-时间曲线，根据所述目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；
根据所述目标质量流量和所述目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；
根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若所述上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及所述当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足所述比例关系；
根据所述最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据喉部面积、装药特征速度和各个脉冲的目标质量流量计算各个脉冲的工作压强；
根据最大工作压强和燃烧室外径计算燃气发生器的壳体厚度；
根据各个脉冲的目标工作时间之和计算燃烧室绝热层厚度；
根据所述燃烧室外径、所述壳体厚度和所述燃烧室绝热层厚度计算燃烧室内径，根据所述燃烧室内径得到燃烧室轴向截面面积；所述燃烧室轴向截面面积由装药燃烧面积、装药绝热层面积以及间隙面积组成。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述目标质量流量-时间曲线计算各个脉冲的装药绝热层厚度；所述脉冲包括一个中心脉冲和位于所述中心脉冲周围的多个侧边脉冲；
根据所述燃烧室轴向截面面积和所述比例关系得到各个脉冲的初始装药燃烧面积；
根据中心脉冲的初始装药燃烧面积计算中心脉冲的初始装药直径，根据所述初始装药直径和所述装药绝热层厚度计算中心脉冲的初始装药绝热层面积；
根据装药绝热层间的间隙、所述中心脉冲的初始装药直径和所述中心脉冲的装药绝热层厚度计算中心脉冲的初始间隙面积；
根据各个侧边脉冲的初始装药燃烧面积计算对应的侧边脉冲的初始装药所占弧度；
根据所述燃烧室内径、所述中心脉冲的初始装药直径、所述中心脉冲的装药绝热层厚度、所述装药绝热层间的间隙以及各个侧边脉冲的装药绝热层厚度和初始装药所占弧度计算对应的侧边脉冲的初始装药绝热层面积；
根据所述燃烧室内径、所述中心脉冲的初始装药直径、所述中心脉冲的装药绝热层厚度、所述装药绝热层间的间隙以及各个侧边脉冲的初始装药所占弧度计算对应的侧边脉冲的初始间隙面积；
计算所述各个脉冲的初始装药燃烧面积、所述中心脉冲的初始装药绝热层面积、所述中心脉冲的初始间隙面积、所述侧边脉冲的初始装药绝热层面积和所述侧边脉冲的初始间隙面积的面积之和；
当所述面积之和与所述燃烧室轴向截面面积不相等时，根据所述燃烧室轴向截面面积、各个脉冲的初始装药绝热层面积和初始间隙面积以及所述比例关系更新各个脉冲的装药燃烧面积，进行下一次迭代计算。
在一个实施例中，所述设计参数包括各个脉冲的装药长度和装药燃速；
根据所述最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数，包括：
根据所述最优装药燃烧面积、所述目标质量流量和所述目标工作时间计算装药长度；
根据所述装药长度和各个脉冲的目标工作时间计算对应脉冲的装药燃速。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间计算装药质量；
根据所述燃烧室外径、所述壳体厚度和所述装药长度计算壳体质量；
根据所述燃烧室外径、所述壳体厚度、所述燃烧室绝热层厚度、各个脉冲的装药绝热层厚度、装药绝热层面积和装药燃烧面积计算多脉冲燃气发生器的绝热层质量；
根据所述装药质量、所述壳体质量和所述绝热层质量计算多脉冲燃气发生器质量。
在一个实施例中，所述方法还包括：
建立质量优化模型；所述质量优化模型的优化目标为最小化多脉冲燃气发生器质量，设计变量包括燃烧室外径和/或喉部面积，约束条件为各个脉冲的装药长度和/或装药燃速范围；
采用拉丁超立方方法在所述质量优化模型对应的设计空间内生成多个初始样本点；其中初始样本的数量为所述设计变量个数的整数倍；所述设计空间是根据所述设计变量以及所述设计变量的取值范围得到的；
根据计算得到的各个初始样本点对应的燃气发生器质量确定每一初始样本点的约束条件和目标函数；
根据各个初始样本点的设计变量、目标函数和约束条件组成训练样本集，根据所述训练样本集构建所述目标函数与约束条件的初始代理模型；
基于所述初始代理模型，采用差分进化算法计算得到所述多脉冲燃气发生器质量最小时对应的优化设计参数。
在一个实施例中，根据各个初始样本点的设计变量、目标函数和约束条件组成训练样本集，根据所述训练样本集构建所述目标函数与约束条件的初始代理模型，包括：
根据各个初始样本点的设计变量、目标函数和约束条件组成训练样本集为：
Figure 555695DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 507471DEST_PATH_IMAGE007
为第
Figure 511199DEST_PATH_IMAGE008
个初始样本点的设计变量取值，
Figure 155807DEST_PATH_IMAGE009
为第
Figure 612196DEST_PATH_IMAGE010
个初始样本点的目标函数和约束条件取值组成的向量，即
Figure 633242DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 225897DEST_PATH_IMAGE012
为约束条件的个数，
Figure 41406DEST_PATH_IMAGE013
为正整数，表示初始样本点的个数。
根据所述训练样本集构建所述目标函数与约束条件的初始代理模型为：
Figure 985092DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 544249DEST_PATH_IMAGE015
为初始代理模型，
Figure 256990DEST_PATH_IMAGE016
为初始样本点对应的多脉冲燃气发生器质量预测值。
在一个实施例中，基于所述初始代理模型，采用差分进化算法计算得到所述多脉冲燃气发生器质量最小时对应的优化设计参数，包括：
将所述初始代理模型代入所述质量优化模型，构建用于序列采样的优化问题模型：
Figure 977821DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 408803DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 506072DEST_PATH_IMAGE019
；
采用差分进化算法寻找当前代理模型
Figure 338898DEST_PATH_IMAGE020
在约束条件取值范围内的最优样本点
Figure 965052DEST_PATH_IMAGE021
，并计算得到最优样本点
Figure 151838DEST_PATH_IMAGE022
对应的最优多脉冲燃气发生器质量预测值
Figure 52798DEST_PATH_IMAGE023
，若所述最优多脉冲燃气发生器质量预测值小于历史最优质量预测值，将
Figure 474552DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure 802765DEST_PATH_IMAGE025
作为新的样本点加入样本点集，并更新代理模型
Figure 942760DEST_PATH_IMAGE026
；
若当连续P次没有更新历史最优质量预测值或达到最大迭代次数，终止迭代，输出当前代理模型对应的设计变量取值，所述设计变量取值即为所述多脉冲燃气发生器质量最小时对应的优化设计参数。
一种多脉冲燃气发生器装药构型设计装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取目标质量流量-时间曲线，根据所述目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；
比例关系计算模块，用于根据所述目标质量流量和所述目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；
迭代计算模块，用于根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若所述上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及所述当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足所述比例关系；
构型设计模块，用于根据所述最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取目标质量流量-时间曲线，根据所述目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；
根据所述目标质量流量和所述目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；
根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若所述上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及所述当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足所述比例关系；
根据所述最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。
上述多脉冲燃气发生器装药构型设计方法、装置和计算机设备，包括：获取目标质量流量-时间曲线，根据目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；根据目标质量流量和目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足比例关系；根据最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。本发明直接由目标质量流量-时间曲线反推各脉冲燃烧面积，然后进行多脉冲装药构型计算，在不调用燃面计算与内弹道计算仿真模型的情况下，直接给出符合目标质量流量-时间曲线条件的总质量最小的装药构型设计结果，避免了使用优化算法时大量迭代产生的巨大计算量，显著提高了多脉冲燃气发生器装药构型设计效率。
附图说明
图1为一个实施例中多脉冲燃气发生器装药构型设计方法的流程示意图；
图2为一个实施例中燃烧室轴向截面示意图；
图3为一个实施例中装药构型计算结果建模示意图；
图4为一个实施例中多脉冲燃气发生器装药构型设计装置的结构框图；
图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种多脉冲燃气发生器装药构型设计方法，包括以下步骤：
步骤102，获取目标质量流量-时间曲线，根据目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间。
给定燃气发生器目标质量流量-时间关系曲线，假设共存在
Figure 647410DEST_PATH_IMAGE027
个脉冲，即有：
Figure 923671DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 422785DEST_PATH_IMAGE029
为第
Figure 50076DEST_PATH_IMAGE030
个脉冲的目标质量流量；
Figure 27259DEST_PATH_IMAGE031
为第
Figure 423605DEST_PATH_IMAGE032
个脉冲的目标工作时间。
步骤104，根据目标质量流量和目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系。
多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系为：
Figure 93621DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 473787DEST_PATH_IMAGE034
为第
Figure 989082DEST_PATH_IMAGE035
个脉冲的装药燃烧面积。
每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙。
步骤106，根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积。
其中各个脉冲的装药燃烧面积满足步骤104中计算得到的比例关系。
可以理解，不同于现有技术中采用优化算法调整装药构型参数，以使得质量流量-时间曲线匹配目标质量流量-时间曲线，本方法是通过目标质量流量-时间曲线直接反推装药燃面大小，当若上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积的加和等于多脉冲燃气发生器的燃烧室面积时，表明迭代已收敛，结束迭代。相对于使用优化算法需要大量迭代，采用本方法计算过程大大简化，此外，受限于优化算法，质量流量-时间曲线与目标质量流量-时间曲线之间必然存在一定误差，而采用本方法可以大大降低甚至消除误差，因为相对于曲线之间的匹配，面积加和与一个给定面积之间的匹配更加容易。
步骤108，根据最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。
上述多脉冲燃气发生器装药构型设计方法包括：获取目标质量流量-时间曲线，根据目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；根据目标质量流量和目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足比例关系；根据最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。本方法直接由目标质量流量-时间曲线反推各脉冲燃烧面积，然后进行多脉冲装药构型计算，在不调用燃面计算与内弹道计算仿真模型的情况下，直接给出符合目标质量流量-时间曲线条件的总质量最小的装药构型设计结果，避免了大量迭代产生的巨大计算量，显著提高了多脉冲燃气发生器装药构型设计效率和速度。同时，本方法能精确匹配目标质量流量-时间曲线，由于采用解析方法计算装药构型，避免了传统方法所得到结果只能逼近目标曲线的缺点。
在一个实施例中，本方法还包括：
S1、根据喉部面积、装药特征速度和各个脉冲的目标质量流量计算各个脉冲的工作压强：
Figure 505514DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 346431DEST_PATH_IMAGE037
为装药特征速度，
Figure 945384DEST_PATH_IMAGE038
为喉部面积，
Figure 529949DEST_PATH_IMAGE039
为第
Figure 900887DEST_PATH_IMAGE040
个脉冲的工作压强。
S2、根据最大工作压强和燃烧室外径计算燃气发生器的壳体厚度：
Figure 647127DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 470726DEST_PATH_IMAGE042
为壳体厚度，
Figure 593403DEST_PATH_IMAGE043
为压力波动系数，一般取1.1~1.2，
Figure 818848DEST_PATH_IMAGE044
为燃烧室外径，
Figure 267147DEST_PATH_IMAGE045
为焊接强度系数，一般取0.9~1.0，
Figure 578042DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 504410DEST_PATH_IMAGE047
为材料抗拉强度，
Figure 584361DEST_PATH_IMAGE048
为安全系数，
Figure 937982DEST_PATH_IMAGE049
为工艺减薄量，一般取0.1~0.2mm。
S3、根据各个脉冲的目标工作时间之和计算燃烧室绝热层厚度：
Figure 736174DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 466233DEST_PATH_IMAGE051
为绝热层烧蚀速率。
S4、根据燃烧室外径、壳体厚度和燃烧室绝热层厚度计算燃烧室内径，根据燃烧室内径得到燃烧室轴向截面面积：
Figure 135112DEST_PATH_IMAGE052
Figure 925213DEST_PATH_IMAGE053
其中，
Figure 945122DEST_PATH_IMAGE054
为燃烧室内径，
Figure 213292DEST_PATH_IMAGE055
为燃烧室轴向截面面积。
燃烧室轴向截面面积由装药燃烧面积、装药绝热层面积以及间隙面积组成：
Figure 2256DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure 697680DEST_PATH_IMAGE057
为装药燃烧面积，
Figure 207814DEST_PATH_IMAGE058
为装药绝热层面积，
Figure 14096DEST_PATH_IMAGE059
为间隙面积。
在一个实施例中，本方法还包括：
S1、根据目标质量流量-时间曲线计算各个脉冲的装药绝热层厚度：
Figure 188726DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 789471DEST_PATH_IMAGE061
为第
Figure 49551DEST_PATH_IMAGE062
个脉冲的装药绝热层厚度，
Figure 393945DEST_PATH_IMAGE063
为第1个脉冲到第
Figure 423081DEST_PATH_IMAGE064
个脉冲的目标工作时间之和。
如图2所示，提供燃烧室轴向截面示意图，脉冲包括一个中心脉冲和位于中心脉冲周围的多个侧边脉冲。
S2、根据燃烧室轴向截面面积和比例关系得到各个脉冲的初始装药燃烧面积：
Figure 460307DEST_PATH_IMAGE065
S3、根据中心脉冲的初始装药燃烧面积计算中心脉冲的初始装药直径，根据初始装药直径和装药绝热层厚度计算中心脉冲的初始装药绝热层面积：
假设中心装药为第
Figure 942104DEST_PATH_IMAGE066
脉冲，则中心装药直径为：
Figure 355768DEST_PATH_IMAGE067
中心脉冲的初始装药绝热层面积为：
Figure 239410DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 447538DEST_PATH_IMAGE069
为第
Figure 416631DEST_PATH_IMAGE070
个脉冲即中心脉冲的初始装药绝热层面积，
Figure 102827DEST_PATH_IMAGE071
为第
Figure 106555DEST_PATH_IMAGE072
个脉冲即中心脉冲的装药绝热层厚度。
S4、根据装药绝热层间的间隙、中心脉冲的初始装药直径和中心脉冲的装药绝热层厚度计算中心脉冲的初始间隙面积：
设装药间隙
Figure 485584DEST_PATH_IMAGE073
为定值，则中心装药的间隙面积为（两装药之间的间隙面积平分给两装药）
Figure 676394DEST_PATH_IMAGE074
其中，
Figure 431860DEST_PATH_IMAGE075
为第
Figure 24515DEST_PATH_IMAGE076
个脉冲即中心脉冲的间隙面积。
S5、根据各个侧边脉冲的初始装药燃烧面积计算对应的侧边脉冲的初始装药所占弧度：
Figure 840025DEST_PATH_IMAGE077
其中，
Figure 780780DEST_PATH_IMAGE078
为侧边脉冲的初始装药燃烧面积之和，
Figure 808779DEST_PATH_IMAGE079
为第
Figure 521520DEST_PATH_IMAGE080
个侧边脉冲的初始装药所占弧度，可以知道
Figure 242351DEST_PATH_IMAGE081
。
S6、根据燃烧室内径、中心脉冲的初始装药直径、中心脉冲的装药绝热层厚度、装药绝热层间的间隙以及各个侧边脉冲的装药绝热层厚度和初始装药所占弧度计算对应的侧边脉冲的初始装药绝热层面积：
Figure 673333DEST_PATH_IMAGE082
其中，
Figure 505023DEST_PATH_IMAGE083
为第
Figure 72270DEST_PATH_IMAGE084
个侧边脉冲的初始装药绝热层面积。
S7、根据燃烧室内径、中心脉冲的初始装药直径、中心脉冲的装药绝热层厚度、装药绝热层间的间隙以及各个侧边脉冲的初始装药所占弧度计算对应的侧边脉冲的初始间隙面积：
Figure 229582DEST_PATH_IMAGE085
其中，
Figure 882280DEST_PATH_IMAGE086
为第
Figure 517661DEST_PATH_IMAGE087
个侧边脉冲的的初始间隙面积。
S8、计算各个脉冲的初始装药燃烧面积、中心脉冲的初始装药绝热层面积、中心脉冲的初始间隙面积、侧边脉冲的初始装药绝热层面积和侧边脉冲的初始间隙面积的面积之和，当面积之和与燃烧室轴向截面面积不相等时，根据燃烧室轴向截面面积、各个脉冲的初始装药绝热层面积和初始间隙面积以及比例关系更新各个脉冲的装药燃烧面积，进行下一次迭代计算：
更新各脉冲的燃烧面积：
Figure 204994DEST_PATH_IMAGE088
按照S1~S8对燃面进行迭代，收敛后得到每一脉冲的燃烧面积
Figure 267628DEST_PATH_IMAGE089
。
在一个实施例中，设计参数包括各个脉冲的装药长度和装药燃速，根据最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数，包括：
根据最优装药燃烧面积、目标质量流量和目标工作时间计算装药长度：
Figure 407622DEST_PATH_IMAGE090
其中，
Figure 846694DEST_PATH_IMAGE091
为装药长度，可以知道，每一脉冲的目标质量流量和目标工作时间的乘积与对应的装药燃烧面积的比值相等，在此以第一脉冲为例展示装药长度的求解过程。
根据装药长度和各个脉冲的目标工作时间计算对应脉冲的装药燃速：
Figure 388534DEST_PATH_IMAGE092
其中，
Figure 887648DEST_PATH_IMAGE093
为第
Figure 249359DEST_PATH_IMAGE094
个脉冲的装药燃速。
在一个实施例中，方法还包括：
根据各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间计算装药质量：
Figure 226543DEST_PATH_IMAGE095
其中，
Figure 622889DEST_PATH_IMAGE096
为装药质量。
根据燃烧室外径、壳体厚度和装药长度计算壳体质量。对于使用椭球比为
Figure 292905DEST_PATH_IMAGE097
的椭球型封头的燃烧室壳体，其质量为
Figure 410421DEST_PATH_IMAGE098
其中，
Figure 925716DEST_PATH_IMAGE099
为壳体材料密度，
Figure 442148DEST_PATH_IMAGE100
为燃烧室外径。
根据燃烧室外径、壳体厚度、燃烧室绝热层厚度、各个脉冲的装药绝热层厚度、装药绝热层面积和装药燃烧面积计算多脉冲燃气发生器的绝热层质量：
Figure 17486DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 619368DEST_PATH_IMAGE102
为绝热层材料密度。
根据装药质量、壳体质量和绝热层质量计算多脉冲燃气发生器质量：
Figure 938354DEST_PATH_IMAGE103
其中，
Figure 309293DEST_PATH_IMAGE104
为多脉冲燃气发生器质量。
基于上述步骤可以得到给定目标质量流量-时间、喉部面积、燃烧室外径、装药间隙等参数下的质量最轻装药构型，在此基础上，可调用优化算法在设计范围内进行优化设计。
在一个实施例中，本方法还包括：
建立质量优化模型，质量优化模型的优化目标为最小化多脉冲燃气发生器质量，设计变量包括燃烧室外径和/或喉部面积，约束条件为各个脉冲的装药长度和/或装药燃速范围。其数学表达形式为：
Figure 321111DEST_PATH_IMAGE105
其中，
Figure 879131DEST_PATH_IMAGE106
是设计参数为
Figure 267387DEST_PATH_IMAGE107
时的燃烧室总质量，
Figure 227253DEST_PATH_IMAGE108
为装药质量，
Figure 409973DEST_PATH_IMAGE109
为绝热层质量，
Figure 720868DEST_PATH_IMAGE110
为壳体质量，
Figure 647236DEST_PATH_IMAGE111
为点火器质量，
Figure 727188DEST_PATH_IMAGE112
为点火器个数，
Figure 346388DEST_PATH_IMAGE113
为设计参数为
Figure 879000DEST_PATH_IMAGE107
时的第
Figure 343480DEST_PATH_IMAGE114
个约束条件，
Figure 543517DEST_PATH_IMAGE115
为约束条件的个数。
采用拉丁超立方方法在质量优化模型对应的设计空间内生成多个初始样本点，其中初始样本的数量为设计变量个数的整数倍，设计空间是根据设计变量以及设计变量的取值范围得到的。
根据计算得到的各个初始样本点对应的燃气发生器质量确定每一初始样本点的约束条件和目标函数，根据各个初始样本点的设计变量、目标函数和约束条件组成训练样本集，根据训练样本集构建目标函数与约束条件的初始代理模型。
例如生成个
Figure 68039DEST_PATH_IMAGE116
初始样本，其中
Figure 108455DEST_PATH_IMAGE117
为设计变量个数将
Figure 376626DEST_PATH_IMAGE118
个样本点对应的设计变量、目标函数和和约束条件组成训练样本集：
Figure 431169DEST_PATH_IMAGE119
其中，
Figure 861014DEST_PATH_IMAGE120
为第
Figure 633798DEST_PATH_IMAGE121
个初始样本点的设计变量取值，
Figure 705659DEST_PATH_IMAGE122
为第
Figure 349130DEST_PATH_IMAGE123
个初始样本点的目标函数和约束条件取值组成的向量，即
Figure 481034DEST_PATH_IMAGE124
。
迭代次数
Figure 475535DEST_PATH_IMAGE125
，优化迭代开始。利用所有
Figure 85508DEST_PATH_IMAGE126
个样本点构成的训练样本集，采用径向基函数方法，构建目标函数与所有约束条件的初始代理模型：
Figure 114644DEST_PATH_IMAGE127
其中，
Figure 886290DEST_PATH_IMAGE128
为初始代理模型，
Figure 633667DEST_PATH_IMAGE129
为初始样本点对应的多脉冲燃气发生器质量预测值。
将初始代理模型代入质量优化模型，构建用于序列采样的优化问题模型：
Figure 47330DEST_PATH_IMAGE130
其中，
Figure 665394DEST_PATH_IMAGE131
，
Figure 873521DEST_PATH_IMAGE132
；
采用差分进化算法寻找当前代理模型
Figure 577035DEST_PATH_IMAGE133
在约束条件取值范围内的最优样本点
Figure 794389DEST_PATH_IMAGE134
，并计算得到最优样本点
Figure 266959DEST_PATH_IMAGE135
对应的最优多脉冲燃气发生器质量预测值
Figure 911567DEST_PATH_IMAGE136
，若所述最优多脉冲燃气发生器质量预测值小于历史最优质量预测值，将
Figure 370886DEST_PATH_IMAGE137
与
Figure 860773DEST_PATH_IMAGE138
作为新的样本点加入样本点集，并更新代理模型
Figure 719008DEST_PATH_IMAGE139
；
若当连续P次没有更新历史最优质量预测值或达到最大迭代次数，终止迭代，输出当前代理模型对应的设计变量取值，所述设计变量取值即为所述多脉冲燃气发生器质量最小时对应的优化设计参数。
在此以6脉冲燃气发生器为例，对本方法进行说明。
首先利用算例验证多脉冲燃气发生器装药构型计算方法正确性，具体设置参数如表1所示：
表1多脉冲燃气发生器装药构型计算输入参数
Figure 268938DEST_PATH_IMAGE140
具体步骤为：
1.根据目标质量流量-时间曲线，计算各脉冲的工作压强
Figure 947044DEST_PATH_IMAGE141
；
2.根据最大压强计算燃烧室壳体厚度
Figure 506201DEST_PATH_IMAGE142
，根据总工作时间计算壳体绝热层厚度
Figure 953363DEST_PATH_IMAGE143
；
3.计算燃烧室剩余可用截面积
Figure 939773DEST_PATH_IMAGE144
和各脉冲之间的燃烧面积之比
Figure 370755DEST_PATH_IMAGE145
；
4.迭代计算
Figure 468024DEST_PATH_IMAGE146
，使得
Figure 35271DEST_PATH_IMAGE147
；
5.完成各脉冲构型参数计算，计算该参数下的壳体质量、绝热层质量、装药质量和燃气发生器总质量。
得到计算结果如表2所示：
表2多多脉冲燃气发生器装药构型计算算例结果
Figure 192583DEST_PATH_IMAGE148
利用SolidWorks对所得结果进行建模，可得计算结果建模示意图如图3所示。由SolidWorks模型导出质量可得：药柱质量为69.498kg，壳体质量为28.986kg，绝热层质量为15.826kg，结果符合计算值，证明质量计算方法的准确性较高。
在多脉冲装药构型计算的基础上可进行装药构型优化设计，即在构型计算方法的基础上，选定部分参数作为设计变量，可对多脉冲装药构型进行进一步优化设计，使燃气发生器总质量降低。具体步骤为：
1.选定优化目标：在设计范围内，燃烧室质量最小，具体设置为
Figure 845281DEST_PATH_IMAGE149
式中：
Figure 480662DEST_PATH_IMAGE150
为燃烧室总质量；
Figure 167995DEST_PATH_IMAGE151
为燃烧室外径；
Figure 230629DEST_PATH_IMAGE152
为喷管喉部面积；
Figure 370624DEST_PATH_IMAGE153
为各脉冲装药最大燃速；
Figure 544116DEST_PATH_IMAGE154
为各脉冲装药最小燃速。
2.利用优化拉丁超立方方法在设计域内选取10个初始样本，并利质量估算方法得到训练样本集；
3.利用训练样本集构建初始代理模型；
4.基于代理模型，采用差分进化算法进行优化设计。
调用优化算法进行计算，随着优化的收敛，燃烧室总质量由初始设置
Figure 85956DEST_PATH_IMAGE155
时的116.90193kg下降至107.89902kg，证明构型优化的有效性。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种多脉冲燃气发生器装药构型设计装置，包括：获取模块、比例关系计算模块、迭代计算模块和构型设计模块，其中：
获取模块，用于获取目标质量流量-时间曲线，根据目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；
比例关系计算模块，用于根据目标质量流量和目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；
迭代计算模块，用于根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足比例关系；
构型设计模块，用于根据最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。
关于多脉冲燃气发生器装药构型设计装置的具体限定可以参见上文中对于多脉冲燃气发生器装药构型设计方法的限定，在此不再赘述。上述多脉冲燃气发生器装药构型设计装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种多脉冲燃气发生器装药构型设计方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synch link） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多脉冲燃气发生器装药构型设计方法，其特征在于，所述方法包括：
获取目标质量流量-时间曲线，根据所述目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；
根据所述目标质量流量和所述目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；
根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若所述上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及所述当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足所述比例关系；
根据所述最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据喉部面积、装药特征速度和各个脉冲的目标质量流量计算各个脉冲的工作压强；
根据最大工作压强和燃烧室外径计算燃气发生器的壳体厚度；
根据各个脉冲的目标工作时间之和计算燃烧室绝热层厚度；
根据所述燃烧室外径、所述壳体厚度和所述燃烧室绝热层厚度计算燃烧室内径，根据所述燃烧室内径得到燃烧室轴向截面面积；所述燃烧室轴向截面面积由装药燃烧面积、装药绝热层面积以及间隙面积组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述目标质量流量-时间曲线计算各个脉冲的装药绝热层厚度；所述脉冲包括一个中心脉冲和位于所述中心脉冲周围的多个侧边脉冲；
根据所述燃烧室轴向截面面积和所述比例关系得到各个脉冲的初始装药燃烧面积；
根据中心脉冲的初始装药燃烧面积计算中心脉冲的初始装药直径，根据所述初始装药直径和所述装药绝热层厚度计算中心脉冲的初始装药绝热层面积；
根据装药绝热层间的间隙、所述中心脉冲的初始装药直径和所述中心脉冲的装药绝热层厚度计算中心脉冲的初始间隙面积；
根据各个侧边脉冲的初始装药燃烧面积计算对应的侧边脉冲的初始装药所占弧度；
根据所述燃烧室内径、所述中心脉冲的初始装药直径、所述中心脉冲的装药绝热层厚度、所述装药绝热层间的间隙以及各个侧边脉冲的装药绝热层厚度和初始装药所占弧度计算对应的侧边脉冲的初始装药绝热层面积；
根据所述燃烧室内径、所述中心脉冲的初始装药直径、所述中心脉冲的装药绝热层厚度、所述装药绝热层间的间隙以及各个侧边脉冲的初始装药所占弧度计算对应的侧边脉冲的初始间隙面积；
计算所述各个脉冲的初始装药燃烧面积、所述中心脉冲的初始装药绝热层面积、所述中心脉冲的初始间隙面积、所述侧边脉冲的初始装药绝热层面积和所述侧边脉冲的初始间隙面积的面积之和；
当所述面积之和与所述燃烧室轴向截面面积不相等时，根据所述燃烧室轴向截面面积、各个脉冲的初始装药绝热层面积和初始间隙面积以及所述比例关系更新各个脉冲的装药燃烧面积，进行下一次迭代计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设计参数包括各个脉冲的装药长度和装药燃速；
根据所述最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数，包括：
根据所述最优装药燃烧面积、所述目标质量流量和所述目标工作时间计算装药长度；
根据所述装药长度和各个脉冲的目标工作时间计算对应脉冲的装药燃速。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间计算装药质量；
根据所述燃烧室外径、所述壳体厚度和所述装药长度计算壳体质量；
根据所述燃烧室外径、所述壳体厚度、所述燃烧室绝热层厚度、各个脉冲的装药绝热层厚度、装药绝热层面积和装药燃烧面积计算多脉冲燃气发生器的绝热层质量；
根据所述装药质量、所述壳体质量和所述绝热层质量计算多脉冲燃气发生器质量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
建立质量优化模型；所述质量优化模型的优化目标为最小化多脉冲燃气发生器质量，设计变量包括燃烧室外径和/或喉部面积，约束条件为各个脉冲的装药长度和/或装药燃速范围；
采用拉丁超立方方法在所述质量优化模型对应的设计空间内生成多个初始样本点；其中初始样本的数量为所述设计变量个数的整数倍；所述设计空间是根据所述设计变量以及所述设计变量的取值范围得到的；
根据计算得到的各个初始样本点对应的燃气发生器质量确定每一初始样本点的约束条件和目标函数；
根据各个初始样本点的设计变量、目标函数和约束条件组成训练样本集，根据所述训练样本集构建所述目标函数与约束条件的初始代理模型；
基于所述初始代理模型，采用差分进化算法计算得到所述多脉冲燃气发生器质量最小时对应的优化设计参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据各个初始样本点的设计变量、目标函数和约束条件组成训练样本集，根据所述训练样本集构建所述目标函数与约束条件的初始代理模型，包括：
根据各个初始样本点的设计变量、目标函数和约束条件组成训练样本集为：
Figure 771191DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 219490DEST_PATH_IMAGE002
为第
Figure 530385DEST_PATH_IMAGE003
个初始样本点的设计变量取值，
Figure 456753DEST_PATH_IMAGE004
为第
Figure 536704DEST_PATH_IMAGE005
个初始样本点的目标函数和约束条件取值组成的向量，即
Figure 890325DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 422938DEST_PATH_IMAGE007
为约束条件的个数，
Figure 152997DEST_PATH_IMAGE008
为正整数，表示初始样本点的个数;
根据所述训练样本集构建所述目标函数与约束条件的初始代理模型为：
Figure 353034DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 611977DEST_PATH_IMAGE010
为初始代理模型，
Figure 897465DEST_PATH_IMAGE011
为初始样本点对应的多脉冲燃气发生器质量预测值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述初始代理模型，采用差分进化算法计算得到所述多脉冲燃气发生器质量最小时对应的优化设计参数，包括：
将所述初始代理模型代入所述质量优化模型，构建用于序列采样的优化问题模型：
Figure 165635DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 954599DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 915602DEST_PATH_IMAGE014
；
采用差分进化算法寻找当前代理模型
Figure 422807DEST_PATH_IMAGE015
在约束条件取值范围内的最优样本点
Figure 229089DEST_PATH_IMAGE016
，并计算得到最优样本点
Figure 406648DEST_PATH_IMAGE017
对应的最优多脉冲燃气发生器质量预测值
Figure 7393DEST_PATH_IMAGE018
，若所述最优多脉冲燃气发生器质量预测值小于历史最优质量预测值，将
Figure 267474DEST_PATH_IMAGE019
与
Figure 877446DEST_PATH_IMAGE020
作为新的样本点加入样本点集，并更新代理模型
Figure 641003DEST_PATH_IMAGE021
；
若当连续P次没有更新历史最优质量预测值或达到最大迭代次数，终止迭代，输出当前代理模型对应的设计变量取值，所述设计变量取值即为所述多脉冲燃气发生器质量最小时对应的优化设计参数。
9.一种多脉冲燃气发生器装药构型设计装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取目标质量流量-时间曲线，根据所述目标质量流量-时间曲线分别得到各个脉冲的目标质量流量和目标工作时间；
比例关系计算模块，用于根据所述目标质量流量和所述目标工作时间确定多个脉冲的装药燃烧面积的比例关系；每一脉冲的装药外围设有装药绝热层，相邻脉冲的装药绝热层间设有间隙；
迭代计算模块，用于根据获取的上一次迭代更新得到的装药燃烧面积计算当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积，若所述上一次迭代更新得到的装药燃烧面积以及所述当前迭代输出的装药绝热层面积和间隙面积满足预设条件，迭代结束，确定每一脉冲的最优装药燃烧面积；其中各个脉冲的装药燃烧面积满足所述比例关系；
构型设计模块，用于根据所述最优装药燃烧面积计算得到多脉冲燃气发生器装药构型的设计参数并进行装药构型的设计。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
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