[发明专利]一种快速预估姿控双组元推力室尺寸重量的方法

权利要求书

1.一种快速预估姿控双组元推力室尺寸重量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将姿控双组元推力室进行分解，分为头部、身部和喷管三个大的部分；

S2：根据总体的技术指标要求，获得优选室压下的热力性能参数数据；

S3：根据选择的室压、总体的技术指标要求、热力性能参数及流强修正系数、热返浸修正系数，计算身部、喷管、头部结构尺寸，得到推力室内型面尺寸包络；

S4：根据热力气动计算得到推力室沿轴线方向不同位置的压强、温度分布参数；根据强度校核公式预估推力室壁厚，采用回转方式结合选择不同部位材料密度，计算得到推力室的重量。

2.根据权利要求1所述的快速预估姿控双组元推力室尺寸重量的方法，其特征在于，步骤S3中，通过如下过程计算身部结构尺寸：

S31：根据步骤S2获取的热力性能参数数据结合总体的技术指标要求，计算喷管喉部半径Rt；

At＝C*·η_c·F/Is/Pc Rt＝sqrt(At/π)；

其中，At为喉部面积，C*为特征速度，η_c为燃烧效率，F为推力，Is为比冲，Pc为优选室压；

S32：根据选定的收缩比ε_c确定身部的半径Rc；

Rc＝sqrt(ε_c)·Rt；

通过选择的收缩半角β及特征长度计算身部长度，包括收缩段长度Lc2及圆筒段长度Lc1；

Lc2＝(Rc-Rt)/tanβ

其中，Vc为推力室容积，V_c＝L^*·A_t，L*为特征长度，Rc为身部的半径，Rt为喷管喉部半径；

或，当燃气停留时间较长时或者认为没有达到临界面就已完全燃烧时，通过下式计算前段圆筒段长度Lc1；

3.根据权利要求1所述的快速预估姿控双组元推力室尺寸重量的方法，其特征在于，步骤S3中，通过如下过程计算喷管结构尺寸，包括喷管收敛段及喷管扩张段：

喷管收敛段：

喷管收敛段型面由半径为Rcc的进口圆弧、半径为Rc1的喉部上游圆弧和直线段三部分组成；其中Rcc＝5×Rt；Rc1＝(1.5～2)×Rt；直线段采用作图法，上游圆弧和下游圆弧确定后直线和上述两段圆弧相切，即可得到直线段；

喷管扩张段：

a)锥形喷管：

喷管出口直径Re

Re＝sqrt(ε)·Rt；

扩张段长度Ln：

Ln＝(Re-Rt)/tanα；

其中α为喷管扩散半角；

b)双圆弧喷管：

设组成双圆弧喷管的两个圆弧的圆弧方程为：

其中，

X₀＝Ln+R₀sinφ；

其中：

其中φ为喷管出口半角，为喷管相对长度；

c)最大推力喷管：

用几何方法确定最大推力喷管型面近似方程为抛物线方程：

X＝aY²+bY+c，

其中：

c＝X1-aY1²-bY1；

其中：X1＝R_tdsinα，Y1＝R_td(1-cosα)+R_t，R_td为喷管喉部下游圆弧半径；X2＝L_n；Y2＝Re，

4.根据权利要求1所述的快速预估姿控双组元推力室尺寸重量的方法，其特征在于，步骤S3中，采用实心圆柱体结构表征头部，通过如下过程计算头部结构尺寸：

l_头部＝f(F,Pc,η_c,η_h)

V_头部＝l_头部·π·Rc²

式中，l_头部表示头部沿轴向长度；

η_c表示流强修正系数；

η_h表示流强修正系数；

V_头部表示头部的体积。

5.根据权利要求1所述的快速预估姿控双组元推力室尺寸重量的方法，其特征在于，步骤S5具体为：

S51)根据S3步骤计算得到的推力室内型面几何参数，结合室压和热力学计算得到的燃气总温参数，同时引入冷却效率修改参数，计算得到沿轴线方向，不同轴线位置温度和压力分布参数；

S52)根据选择的推力室安全系数，推力室不同部位的材料属性信息，结合S51)步骤计算得到的推力室不同轴线位置温度和压力分布参数，以该温度下材料的物性参数为依据，采用工程强度校核经验公式计算得到推力室身部、喷管沿轴线方向不同位置的壁厚h；

其中P_c.max为给定轴向位置处当地静压；

σ_0.2为材料的屈服极限；

R为给定轴向位置的半径；

为选择的安全系数；

根据内型面参数结合个体位置壁厚，加上头部设计尺寸，即可得到全推力室的尺寸包络参数；

S53)根据全推力室的尺寸包络参数，以及计算得到的身部、喷管不同位置的壁厚，以回转体方式，统计身部、喷管体积V；

V＝∑dx·2·R·π

其中dx为姿控推力室轴向方向尺寸变化；

R为给定轴向位置的半径；

S54)结合选择的材料属性，结合步骤S53)得到的头部体积、身部、喷管体积分别计算三个部分质量，三个部分汇总即可得到推力室的预估质量；

m_推力室＝m_头部+m_身部+m_喷管

m_推力室为预估得到的推力室重量；

m_头部为预估得到的头部重量；

m_身部为预估得到的身部重量；

m_喷管为预估得到的喷管重量。