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固体火箭发动机设计的优化准则及方法

【摘要】:固体火箭发动机设计过程中常用的优化准则主要有以下几种:对给定的有效载荷,在保证射程一定的条件下,导弹的起飞质量尽可能小。无论采用哪一个设计准则进行发动机的总体方案优化设计,都要首先确定优化设计的目标函数、设计变量和约束条件,建立数学模型,选择优化方法。

求解上述方程所满足的约束条件追求目标通常称为优化准则。固体火箭发动机设计过程中常用的优化准则(即优化目标函数和对应的约束条件)主要有以下几种:

(1)对给定的有效载荷,在保证射程一定的条件下,导弹的起飞质量尽可能小。对多级火箭来讲,固体发动机的总质量将占全弹起飞质量的90%以上。因此,降低导弹的起飞质量主要就是降低发动机的质量。

导弹起飞质量的减小,不仅对发射系统及运输的机动性有利,而且也会使导弹的成本、发射及地面运输设备的成本降低。因此,这条准则也可作为追求经济指标的一条优化准则。

(2)对给定的有效载荷,在保证发动机容积(直径和长度)一定的条件下,导弹射程(或主动段终点速度)尽可能大。

对于发动机的结构尺寸限制严格的航天飞行器、中远程弹道式导弹来讲,由于发动机结构受到载具或发射设备尺寸的严格限制,而对发动机总质量要求相对宽松,因而该准则在战略导弹或航天飞行器的发动机上应用较广。

(3)对给定的有效载荷,在保证射程一定的条件下,导弹的总成本应尽量低。

该准则是在轨道/弹道性能一定的情况下,直接追求经济指标的一种优化准则,如果导弹的战斗部、控制设备以及弹体等部件的成本一定,实际上就是追求发动机的成本最低。为此,必须建立一种以发动机成本作为目标函数的数学模型

(4)对于给定的有效载荷,在药柱质量一定的条件下,导弹的射程应尽量大。用药柱质量来限制导弹的起飞质量和成本,也是一条追求性能的优化准则。

(5)对给定的有效载荷,当保持射程一定时,发动机的长度应尽量小。

(6)对于给定的发动机推力-时间曲线(或总冲量),发动机的总质量应尽可能小。

(7)对于给定的发动机容积(直径和长度),发动机的质量比冲应尽可能大。

上述优化设计准则中,最后两条准则避开了飞行器整体设计和飞行弹道的相关问题,仅对发动机的设计参数进行寻优,应用广泛有效,缺点是人为地割裂了飞行器总体与发动机之间的设计关联,与总体设计过程缺乏互动。

无论采用哪一个设计准则进行发动机的总体方案优化设计,都要首先确定优化设计的目标函数、设计变量和约束条件,建立数学模型,选择优化方法。其中最基本的方程式是发动机各部分的质量方程和较为实际的比冲表达式。