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固体燃料冲压增程弹弹道特性研究

作　者: 于栋梁
导　师: 武晓松
学　校: 南京理工大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 固体燃料冲压发动机增程弹气动力弹道性能
分类号: TJ760.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

固体燃料冲压发动机具有结构简单、比冲高且能够自适应工作等优点。利用固体燃料冲压发动机增程的炮弹,能够很大程度的提高炮弹的射程,且炮弹拥有较高的飞行速度,缩短全弹道飞行时间,提高突防能力,具有很好的利用前景。本文对固体燃料冲压发动机增程弹弹道性能开展了研究。针对固体燃料冲压发动机的工作特点,提出了固体燃料冲压发动机部件耦合计算的性能预示方法。该方法通过求解进气道中正激波的位置来达到耦合计算发动机各部件性能的目的,并在燃烧室计算模型中增加了平衡常数法热力计算过程,较以往热力计算差值的方法快捷简便,适用于包含有C、H、O、N的单质推进剂或复合推进剂的情况。这种性能计算方法可以快速准确的预测发动机的内弹道性能,为发动机结构型面设计提供依据。基于二维轴对称可压缩N-S方程、标准k-ε模型,对一种固体燃料冲压增程弹进行了内外流场仿真,分析了不同马赫数下的内外流场特点和空气动力变化特点。针对固体燃料冲压增程弹的外形特点,提出了一种构建相似弹丸变换积分的计算空气动力的方法,该方法可以利用有旋特征线法和二次激波膨胀波法等方法来计算固冲增程弹外罩气动力。通过计算对比发现此方法在发动机设计状态时具有可靠的计算精度。利用上述研究,建立了固冲增程弹质点弹道模型,对增程弹进行了内弹道、外弹道一体化弹道仿真,在一定程度上揭示了增程弹结构参数与弹道性能间的关系。针对增程弹飞行的特点,得出了固体燃料冲压发动机增程弹推力和阻力匹配设计的计算流程,此方法根据增程弹所出的不同飞行高度和速度,可以设计出增程弹外形面和内型面结构参数。开发了具有上述计算功能的软件。该软件既能够预估已知参数的增程弹性能、阻力特性,也能够进行增程弹弹道仿真,还可以辅助进行固冲增程弹的设计。该软件能够满足增程弹总体方案设计的需要,有效的提高设计能力,缩短研制周期,对固体燃料冲压增程弹相关设计和试验提供一定的理论指导和参考。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
1 绪论  9-20
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 固体燃料冲压发动机部件结构及工作特点  10-15
    1.2.1 冲压发动机的工作原理与分类  10
    1.2.2 固体燃料冲压发动机的结构与优点  10-12
    1.2.3 进气道的结构与工作原理  12-13
    1.2.4 燃烧室的结构与工作原理  13-14
    1.2.5 喷管的结构与工作原理  14-15
  1.3 固体燃料冲压增程弹国内外研究现况  15-19
  1.4 本学位论文主要研究内容  19-20
2 固体燃料冲压发动机内弹道性能计算  20-39
  2.1 固体燃料冲压内弹道物理模型  20-21
  2.2 发动机耦合计算  21-23
    2.2.1 耦合计算模型基本假设  21-22
    2.2.2 耦合计算步骤  22
    2.2.3 耦合计算流程图  22-23
  2.3 进气道求解计算过程  23-28
    2.3.1 圆锥绕流计算  23-25
    2.3.2 进气道内部流动计算  25-28
  2.4 燃烧室求解计算过程  28-36
    2.4.1 燃料的质量流率  28-29
    2.4.2 化学平衡常数法热力计算  29-34
    2.4.3 燃烧室等截面加热加质管流模型  34-36
  2.5 喷管求解计算过程  36-39
    2.5.1 喷管的工作状态  36
    2.5.2 喷管的中气体参数求解  36-39
3 固体燃料冲压增程弹阻力特性研究  39-61
  3.1 固体燃料冲压增程弹内外一体化流场CFD求解过程  39-44
    3.1.1 固体燃料冲压增程弹模型及假设  39
    3.1.2 控制方程组  39-40
    3.1.3 网格和离散格式  40
    3.1.4 边界条件和初始条件  40
    3.1.5 计算结果和分析  40-44
  3.2 固冲增程弹阻力计算方法研究  44-47
    3.2.1 研究对象及模型构建  44
    3.2.2 计算方法  44-45
    3.2.3 计算结果分析  45-47
  3.3 固体燃料冲压增程弹外流场特征线法求解过程  47-54
    3.3.1 特征线基本理论  47-48
    3.3.2 有旋特征线法计算单元  48-53
    3.3.3 轴对称体的外部有旋流场计算步骤  53-54
  3.4 固冲增程弹弹体头部压力分布二次激波膨胀波法求解过程  54-59
    3.4.1 二次激波膨胀波法基本假设  54-55
    3.4.2 二次激波膨胀波法计算过程  55-59
  3.5 固体燃料冲压增程弹摩阻和底阻的求解  59-61
4 增程弹弹道计算及推力阻力匹配设计  61-70
  4.1 地球重力和大气环境  61-65
    4.1.1 重力和重力加速度  61
    4.1.2 地球大气环境  61-62
    4.1.3 气象条件及计算方法  62-65
  4.2 标准条件下冲压增程弹质心运动方程组  65-67
    4.2.1 基本假设  65
    4.2.2 冲压增程弹质心运动方程组的建立  65-66
    4.2.3 弹道方程的数值解法  66-67
  4.3 固体燃料冲压发动机增程弹弹道仿真  67-68
  4.4 固体燃料冲压发动机增程弹推力阻力匹配设计  68-70
5 SFRJ性能计算软件开发及算例分析  70-87
  5.1 SFRJ性能计算软件介绍  70-75
    5.1.1 软件的功能  70
    5.1.2 软件的使用  70-75
  5.2 算例分析  75-87
    5.2.1 推力计算分析  75-78
    5.2.2 阻力计算分析  78-80
    5.2.3 内外一体化计算分析  80-85
    5.2.4 推力阻力匹配计算分析  85-87
6 结论与展望  87-89
  6.1 结论  87-88
  6.2 展望  88-89
致谢  89-90
参考文献  90-93
附录  93

固体燃料冲压增程弹弹道特性研究

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