将液体火箭发动机的常用组件进行整理划分,分别建立其数学模型,并打包成独立的程序模块。在独立程序模块的基础上,可设计出通用仿真软件,通用性软件汇集了液体火箭发动机的常用组件,并可以根据要求进行组件模块的扩充。在仿真时,根据发动机系统构成将组件模块进行排列组合,通过流量、压力、温度及转速等参数建立组件间的联系关系。即可快速便捷的针对不同发动机系统进行动态特性仿真建模。
这一阶段的代表性软件主要是美国普惠公司(Pratt&Whitney)为NASA 马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)研制的火箭发动机瞬态仿真器ROCETS[7](ROCket Engine Transient Simulation System)。ROCETS软件包中包含了组成发动机系统的基本组件模型,包含了泵模型、涡轮、预燃室、主燃烧室、喷管、管路、阀门、阻尼器模型以及传热模型和低温介质模型等。可以满足绝大多数循环类型发动机的仿真要求。Binder利用ROCETS提供的模型库建立了RL 10A-3-3A发动机的动态模型,并得到了实验结果的验证[8]。
ROCETS虽然具有一定的通用性,但是操作界面和组件连接方式都较为复杂。Randolph F Follett博士对ROCETS进行了二次开发,将界面和数据结构都进行了极大地优化而开发出ESAY5x软件[9], EASY5x具有直观的图形界面,用户能够轻松构建仿真模型。图1为ESAY5x软件的仿真界面。
图1 ESAY5x/ROCETS仿真界面
Fig.1 Simulation interface of ESAY5x/ROCETS
法国类似的软件CARINS[10]采用FORTRAN语言编写,包含了用户图形界面、模型库和模型自动生成器(AMG),用户在软件界面上搭建其发动机系统,定义数据或者加入额外的方程和公式,根据用户的输入,软件可以自动生成仿真程序并进行求解。图2为该软件仿真界面。
日本JAXA角田空间推进中心(Kakuda Space Propulsion Center)在2001年开发了一款类似的软件REDS(Rocket Engine Dynamic Simulator)[11],REDS采用FORTRAN77语言编写,同样包含了各种常用组件模型和材料物性数据库。并可通过MPI可以直接在多台计算机上实现并行计算。利用REDS,日本在LE-7A发动机的设计中成功分析了其启动和关机动态特性,确定了其启动关机时序。
图2 CARINS仿真界面
Fig.2 Simulation interface of CARINS
在商用的微分方程求解软件上进行二次开发省去了数学求解的工作,可以将工作全部放在组件模型的开发上。西班牙EAI公司EcosimPro是一款一维多学科系统仿真工具,能够对任何可以表示成微分代数方程或者常微分方程的动态系统以及离散事件进行建模。并且内置了数学、控制、电气、热及机械等多个学科的专业元件库。欧洲航天局ESA和EAI公司在该软件的基础上合作开发了航天推进系统仿真模块ESPSS(European Space Propulsion System Simulation),并成功应用于多种发动机动态过程的仿真建模上[12-14]。图3是该软件的仿真界面。
法国Imagine公司推出的AMESim也是一款类似的软件,其采用基于物理模型的图形化建模方式,具有丰富的通用标准元件库,该软件也大量用在了发动机系统仿真和组件仿真上[15-18]。
国内的国防科大、北航及西安航天动力研究所等单位都开发了各自的通用仿真软件。刘昆、黄敏超等人在自身关于管路的有限元状态模型的基础上,将组成发动机系统的典型元件划分为21个
图3 EcosimPro/ESPSS仿真界面
Fig.3 Simulation software interface ofEcosimPro/ESPSS
模块,并对不同组件开发成数学模型库。采用C++语言编写了模块化仿真软件LRETMMSS[19-21](The Modularization Modeling and Simulation Software for Transient of liquid Propellant Rocket Engines),利用该软件建立了某型号液氢液氧补燃发动机半系统模型[22]。张黎辉等人利用C++语言开发了类似的通用仿真软件[23],并在MFC文档视图结构的基础上实现了可视化建模。类似的还有刘红军、吕鹏翾及肖立明等人的工作[24-26]。
MWorks基于多领域统一建模规范的Modelica语言,内置了大量标准元件库,陈宏玉在该平台上建立了适用于液体火箭发动机的详细的组件模型库RocketEngine[27],包括了6大类组件32类小元件,其中管路模型更是包含了完全的一维分布参数模型,采用谱方法编写了管路的一维求解程序。并利用此模型库对我国液氧煤油发动机单机、多机并联、地面、飞行等多种状态的起动和关机过程进行了仿真,并经过了试车数据的验证[28]。该软件的仿真界面如图4所示。
从仿真技术的特点来看,成为一款通用性的发动机动态过程仿真软件必须具备以下几个必要条件:
1)具备良好的图形界面,使用户与计算机的交互工作可以友好的进行;
2)具备完整的发动机组件模型库以及模型之间的连接接口,可以迅速的根据发动机系统组成搭建整机的仿真模型;
3)仿真软件具备数学模型生成和求解能力,能够根据图形界面上连接好的模型生成求解方程组,并且内置求解器,对生成的方程组进行求解。
图4 MWorks/RocketEngine仿真界面
Fig.4 Simulation interface of MWorks/RocketEngine
