CN117556550A - 固体发动机异构装药归一化映射选型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体发动机异构装药归一化映射选型方法，包括：获取目标域发动机的设计参数以及若干不同药形的源域发动机；计算源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线；计算源域发动机映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值；选择误差值最小的设计案例对应的药形作为最终选择药型，并在最终选择药型对应源域发动机的所有设计案例中，选择误差值排名在前的设计案例，将其尺寸参数上下界作为目标域发动机的设计变量范围。本发明应用于固体发动机技术领域，通过推力匹配案例映射选型和设计域缩减，实现了固体发动机总体设计装药快速选型和设计域确定，为固体发动机高效设计提供方法支撑。
Description
技术领域
本发明涉及固体发动机技术领域，具体是一种固体发动机异构装药归一化映射选型方法。
背景技术
固体火箭发动机是在导弹、火箭等航天运载器中广泛应用的动力系统之一，装药选型和优化是固体发动机设计中最核心最困难的技术之一，其主要任务是根据提供的总体指标，选择合适的装药药型，确定优化设计参数及范围，为后续固体发动机总体设计提供设计变量。
目前常用的固体发动机装药选型方法主要有人工选型法，即针对新的总体设计需求，经验丰富的工程师可以直接给出合适的装药药型，同时根据目标域发动机的直径给出装药的大致设计参数及范围，通常可以得到较好的结果。但是采用人工筛选的方式需要具有丰富的工程经验，设计门槛较高，同时一旦选型不合适会导致大量的重复性工作，浪费时间成本。
发明内容
针对上述现有技术中固体发动机装药药型种类多、设计变量范围大，导致进行总体设计时选型困难、优化算法寻优难以收敛的问题，本发明提供一种固体发动机异构装药归一化映射选型方法，提出推力匹配案例映射选型方法和设计域缩减方法，实现了固体发动机总体设计装药快速选型和设计域确定，为固体发动机高效设计提供方法支撑。
为实现上述目的，本发明提供一种固体发动机异构装药归一化映射选型方法，包括如下步骤：
步骤1，获取目标域发动机的设计参数以及若干不同药形的源域发动机，其中，每一药形的源域发动机具有若干设计案例；
步骤2，计算每一设计案例的源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线；
步骤3，计算每一设计案例的源域发动机映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值；
步骤4，选择所述误差值最小的设计案例对应的药形作为目标域发动机的最终选择药型，并在所述最终选择药型对应源域发动机的所有设计案例中，选择误差值排名在前X%的设计案例，并将选择的设计案例的尺寸参数上下界作为目标域发动机的设计变量范围。
在其中一个实施例，步骤2中，所述推力时间曲线的计算过程为：
计算目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比估算目标域发动机和源域发动机的工作时间比；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比估算目标域发动机和源域发动机的总冲比；
基于目标域发动机与源域发动机的总冲比和工作时间比计算目标域发动机和源域发动机的推力比；
综合目标域发动机与源域发动机的推力比与工作时间比，即得到源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线。
在其中一个实施例，步骤2中，所述推力时间曲线的计算过程具体为：
计算目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比，为：
；
；
其中，、/>分别为目标域发动机与源域发动机/>的尺寸比、燃速比，/>、/>分别为目标域发动机的直径和燃速，/>、/>分别为源域发动机/>的直径和燃速；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比估算目标域发动机和源域发动机的工作时间比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计工作时间，/>为源域发动机/>的工作时间；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比估算目标域发动机和源域发动机的总冲比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计总冲，/>为源域发动机/>的总冲；
基于目标域发动机与源域发动机的总冲比和工作时间比计算目标域发动机和源域发动机的推力比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计推力，/>为源域发动机/>的推力；
综合目标域发动机与源域发动机的推力比与工作时间比，即得到源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线。
在其中一个实施例，步骤3中，所述误差值的计算过程为：
；
其中，为源域发动机/>映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值，/>为源域发动机/>映射的推力在时间点/>上的推力值，/>为目标域发动机的推力在时间点/>上的推力值，/>为时间离散点的数量。
在其中一个实施例，当源域发动机的映射推力/>与目标域发动机的推力/>的工作时间不相等时，则多余时间部分的/>或/>均按0计算。
在其中一个实施例，步骤4中，所述选择误差值排名在前X%的设计案例具体为：选择误差值排名在前5~20%的设计案例。
与现有技术相比，本发明的具有如下有益技术效果：
1、本发明通过已有案例匹配进行装药选型，相对于一般人工选型方法可通过程序控制，实现了自动化，减少了经验需求，降低了选型门槛，提高了选型效率；
2、本发明通过对物理模型的研究，以尺寸比和燃速比为基准，将不同药型的推力时间曲线映射到目标域发动机药型上，通过与目标推力时间曲线匹配实现选型，然后通过当前药型中最相近的案例确定设计变量范围，实现设计域缩减，降低了后续优化的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中固体发动机异构装药归一化映射选型方法的流程图；
图2为本发明实施例中单室单推的固体发动机目标推力时间曲线示意图；
图3为本发明实施例中单室双推的固体发动机目标推力时间曲线示意图；
图4为本发明实施例案例1中映射后推力时间曲线与目标推力曲线对比图；
图5为本发明实施例案例1中缩减设计域内所有案例映射后的结果与目标推力曲线对比图；
图6为本发明实施例案例2中映射后推力时间曲线与目标推力曲线对比图；
图7为本发明实施例案例2中缩减设计域内所有案例映射后的结果与目标推力曲线对比图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本实施例公开了一种固体发动机异构装药归一化映射选型方法，通过计算目标域发动机与源域发动机不同药型设计装药案例的尺寸比和燃速比，将不同源域发动机的推力时间曲线映射到目标域上，同时以设计需求推力曲线为目标域发动机筛选得到需求曲线最接近的药型，实现装药选型。然后通过筛选当前药型案例中最接近的一部分药型，重新确定药型的设计变量范围，实现设计域缩减。
参考图1，本实施例中的固体发动机异构装药归一化映射选型方法具体包括如下步骤1至步骤4。
步骤1，获取目标域发动机的设计参数以及若干不同药形的源域发动机，每一药形的源域发动机具有若干设计案例。
其中，目标域发动机的设计参数为已知的目标域发动机直径和燃速/>，不同装药药形源域发动机的各设计案例的设计参数也已知，例如，对于源域发动机/>，其直径/>、燃速/>、总冲/>、药型以及包含推力/>和工作时间/>的推力时间曲线均已知。
步骤2，计算每一设计案例的源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线。
对于某一装药药形的一个具体设计案例源域发动机，计算源域发动机/>在目标域发动机上映射的推力时间曲线的具体实施过程为：
步骤2.1，计算目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比，为：
；
；
其中，、/>分别为目标域发动机与源域发动机/>的尺寸比、燃速比；
步骤2.2，基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比估算目标域发动机和源域发动机的工作时间比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计工作时间；
步骤2.3，基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比估算目标域发动机和源域发动机的总冲比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计总冲；
步骤2.4，基于目标域发动机与源域发动机的总冲比和工作时间比计算目标域发动机和源域发动机的推力比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计推力；
步骤2.5，综合目标域发动机与源域发动机的推力比与工作时间比，即得到源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线；
步骤3，计算每一设计案例的源域发动机映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值。
对于某一装药药形的一个具体设计案例源域发动机，计算源域发动机/>映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值的具体实施过程为：
；
其中，为源域发动机/>映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值，/>为源域发动机/>映射的推力在时间点/>上的推力值，/>为目标域发动机的推力在时间点/>上的推力值，/>为时间离散点的数量。
在具体应用过程中，当源域发动机的映射推力/>与目标域发动机的推力/>的工作时间不相等时，则多余时间部分的/>或/>均按0计算。
步骤4，选择误差值最小的设计案例对应的药形作为目标域发动机的最终选择药型，并在最终选择药型对应源域发动机的所有设计案例中，选择误差值排名在前X%的设计案例，并将选择的设计案例的尺寸参数上下界作为目标域发动机的设计变量范围。
具体地，将源域不同药型包含的所有设计案例的源域发动机均进行步骤3的映射，选出其中误差值最小的作为该药型的代表，并比较所有药型，选择药型代表误差值最小的药型，作为目标域发动机的最终选择的药型。随后将最终选择的药型的所有存档设计案例的映射后推力曲线与推力需求的误差值进行排名，选择映射后推力曲线与目标推力时间曲线误差排名在前5~20%的案例，并将选择的设计案例的尺寸参数上下界作为目标域发动机的设计变量范围，最后输出目标域发动机的最终选择药型与设计变量范围，至此即完成固体发动机异构装药的选型以及实现设计域缩减。
下面结合具体的示例对本实施例中的固体发动机异构装药归一化映射选型方法作出进一步的说明。
以单室单推和单室双推的固体发动机推力性能匹配设计需求为例，给出两个装药推力匹配案例映射选型方法实例。已有设计案例包含药型有前翼柱、前后翼柱、星孔、车轮四种药型，每种药型的设计案例由该药型上曾经执行优化任务仿真所得的大量样本点组成。目标域发动机直径500mm，燃速为10mm/s，单室单推目标平均推力为100kN，工作时间为20s，单室双推目标平均推力前5s为200kN，后15s为100kN，工作时间为20s，单室单推和单室双推的推力时间曲线如图2、图3所示。
首先针对所有的药型及其包含的大量样本点，在目标任务需求上计算案例尺寸比和燃速比，进而计算总冲比和推力比，得到映射到目标域发动机的估算推力时间曲线，并且计算与需求推力时间曲线的误差。误差最小的药型作为目标任务的药型，且选取该药型映射后误差值排名前5%的案例的尺寸参数作为装药的设计变量域，实现设计域缩减。
具体步骤如下：
1)计算不同药型包含的所有案例与目标案例的尺寸比和燃速比；
2)计算得到总冲比和推力比，并得到映射后的推力时间曲线；
3)计算映射后的推力时间曲线与目标需求推力时间曲线的误差值；
4)选择误差值最小的案例所在药型，作为目标任务的药型；
5)选择该药型样本映射后误差排名前5%的样本的尺寸参数上下界，作为目标装药的设计范围，实现设计域缩减。
案例1：单室单推
针对不同的四种常用药型(前翼柱、前后翼柱、星孔、车轮)，将药型的样本都映射到目标域发动机上，得到不同药型在目标域发动机上的推力时间曲线，并与图2的单室单推需求推力时间曲线计算误差。不同药型中误差最小的案例如表1所示。
表1 不同药型映射后推力时间曲线误差最小值
由表1所知，前后翼柱的药型与目标需求最适配，选择前后翼柱作为当前目标任务的药型。而前后翼柱药型中误差最小的映射推力时间曲线如图4所示，映射后的装药参数如表2所示。映射后的推力时间曲线成功与目标曲线匹配。以前后翼柱误差前5%的案例规划目标案例的设计范围，以缩减设计域，缩减后的设计域如表3所示。设计范围内所有包含的案例映射后的推力时间曲线与目标推力时间曲线如图5所示。
表2 映射后推力匹配误差最小的装药参数结果
表3 缩减后的设计域
案例2：单室双推
针对不同的四种常用药型(前翼柱、前后翼柱、星孔、车轮)，将药型的样本都映射到目标域发动机上，得到不同药型在目标域发动机上的推力时间曲线，并与图3的单室双推需求推力时间曲线计算误差。不同药型中误差最小的案例如表4所示。
表4 不同药型映射后推力时间曲线误差最小值
由表4所知，前后翼柱的药型与目标需求最适配，选择前后翼柱作为当前目标任务的药型。而前后翼柱药型中误差最小的映射推力时间曲线如图6所示，映射后的装药参数如表5所示。映射后的推力时间曲线成功与目标曲线匹配。以前后翼柱误差前5%的案例规划目标案例的设计范围，以缩减设计域，缩减后的设计域如表6所示。设计范围内所有包含的案例映射后的推力时间曲线与目标推力时间曲线如图7所示。
表5 映射后推力匹配误差最小的装药参数结果
表6 缩减后的设计域
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种固体发动机异构装药归一化映射选型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取目标域发动机的设计参数以及若干不同药形的源域发动机，其中，每一药形的源域发动机具有若干设计案例；
步骤2，计算每一设计案例的源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线；
步骤3，计算每一设计案例的源域发动机映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值；
步骤4，选择所述误差值最小的设计案例对应的药形作为目标域发动机的最终选择药型，并在所述最终选择药型对应源域发动机的所有设计案例中，选择误差值排名在前X%的设计案例，并将选择的设计案例的尺寸参数上下界作为目标域发动机的设计变量范围。
2.根据权利要求1所述的固体发动机异构装药归一化映射选型方法，其特征在于，步骤2中，所述推力时间曲线的计算过程为：
计算目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比估算目标域发动机和源域发动机的工作时间比；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比估算目标域发动机和源域发动机的总冲比；
基于目标域发动机与源域发动机的总冲比和工作时间比计算目标域发动机和源域发动机的推力比；
综合目标域发动机与源域发动机的推力比与工作时间比，即得到源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线。
3.根据权利要求2所述的固体发动机异构装药归一化映射选型方法，其特征在于，步骤2中，所述推力时间曲线的计算过程具体为：
计算目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比，为：
；
；
其中，、/>分别为目标域发动机与源域发动机/>的尺寸比、燃速比，/>、/>分别为目标域发动机的直径和燃速，/>、/>分别为源域发动机/>的直径和燃速；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比和燃速比估算目标域发动机和源域发动机的工作时间比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计工作时间，/>为源域发动机/>的工作时间；
基于目标域发动机与源域发动机的尺寸比估算目标域发动机和源域发动机的总冲比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计总冲，/>为源域发动机/>的总冲；
基于目标域发动机与源域发动机的总冲比和工作时间比计算目标域发动机和源域发动机的推力比，为：
；
其中，为目标域发动机的估计推力，/>为源域发动机/>的推力；
综合目标域发动机与源域发动机的推力比与工作时间比，即得到源域发动机在目标域发动机上映射的推力时间曲线。
4.根据权利要求1或2或3所述的固体发动机异构装药归一化映射选型方法，其特征在于，步骤3中，所述误差值的计算过程为：
；
其中，为源域发动机/>映射的推力时间曲线与目标域需求推力时间曲线的误差值，为源域发动机/>映射的推力在时间点/>上的推力值，/>为目标域发动机的推力在时间点/>上的推力值，/>为时间离散点的数量。
5.根据权利要求4所述的固体发动机异构装药归一化映射选型方法，其特征在于，当源域发动机的映射推力/>与目标域发动机的推力/>的工作时间不相等时，则多余时间部分的/>或/>均按0计算。
6.根据权利要求1或2或3所述的固体发动机异构装药归一化映射选型方法，其特征在于，步骤4中，所述选择误差值排名在前的设计案例具体为：选择误差值排名在前5~20%的设计案例。
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| 李世鹏，隋欣编著: "《固体火箭发动机设计》", vol. 1, 31 July 2020, 北京理工大学出版社, pages: 3 * |
| 杨家伟: "基于代理模型的离散-连续混合变量优化方法及应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》, 15 February 2023 (2023-02-15), pages 031 - 1329 * |
| 杨敏涛 等: "某型发动机装药设计及试验研究", 《试验技术与装备》, 31 October 2021 (2021-10-31), pages 62 - 64 * |
| 王栋，封锋，陈军著: "《固体火箭发动机基础》", vol. 1, 31 December 2016, 北京理工大学出版社, pages: 169 * |
| 谷建光;张为华;王中伟;欧海英;解红雨;: "基于知识工程的固体火箭发动机装药设计技术研究", 固体火箭技术, no. 03, 15 June 2008 (2008-06-15), pages 208 - 214 * |
| 饶大林;郑韬;李新田;田辉;蔡国飙;: "固液混合火箭发动机仿真与优化设计", 推进技术, no. 05, 15 October 2010 (2010-10-15), pages 513 - 518 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117556550B (zh) | 2024-03-29 |
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