姿控动力系统动态特性仿真及试验研究（第二届空天前沿大会增刊）

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32329

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

姿控动力系统动态特性仿真及试验研究（第二届空天前沿大会增刊）

张方¹,向伟彬¹,肖凯¹,肖思齐¹,项亮¹,王兵²

1. 湖北航天技术研究院总体设计所
2. 清华大学航天航空学院

收稿日期:2025-05-30 修回日期:2025-06-11 出版日期:2025-06-16 发布日期:2025-06-16
通讯作者: 王兵

Experimental and Modeling study of Attitude Control Propulsion System Transients

Received:2025-05-30 Revised:2025-06-11 Online:2025-06-16 Published:2025-06-16

摘要/Abstract

摘要： 本研究基于AMESim软件建立了姿控动力系统动态特性仿真模型，用于研究姿控动力系统的水击压力特性，以及水击压力脉动对发动机性能参数的影响。在仿真模型中加载姿控动力系统的地面试车时序，将仿真结果与实测试验数据进行对比，表明该模型具有良好的预示精度。研究结果表明，双组元发动机点火/关机过程中产生的水击压力波，会在短时间内严重影响系统中其他分机的正常工作，尤其是大推力发动机关机时产生的水击压力波影响显著。氧化剂管路水击压力峰值明显高于燃料管路，可以通过缩短推进剂供应管路长度、增大管路通径等措施降低水击危害。

关键词: 姿控动力系统, AMESim, 动态特性, 水击, 发动机。

Abstract: This study develops a transient simulation model of the attitude control propulsion system (ACPS) based on AMESim software, aiming to investigate the hydraulic pressure characteristics of the ACPS and the effects of water hammer pres-sure pulsations on engine performance parameters. The ground test sequence of the propulsion system is implemented in the simulation model, comparative analysis between simulation results and experimental test data demonstrates that this model exhibits satisfactory predictive accuracy. The research findings reveal that water hammer pressure waves generated during ignition/shutdown processes of bipropellant liquid rocket engine, particularly during high-thrust engine shut-down, can significantly disrupt the normal operation of other subsystems within short durations. Notably, the oxidizer pipe-lines exhibited significantly higher water hammer pressure peaks compared to the fuel pipelines. The potential hazards induced by water hammer effects could be effectively mitigated by implementing measures such as shortening the length of the propellant feed line and increasing the pipeline diameter.

Key words: Attitude Control Propulsion System, AMESim, Dynamic characteristic, water hammer, engine.

中图分类号:

张方向伟彬肖凯肖思齐项亮王兵. 姿控动力系统动态特性仿真及试验研究（第二届空天前沿大会增刊）[J]. 航空学报, doi: 10.7527/S1000-6893.2025.32329.

参考文献

[1]苏龙斐, 张黎辉, 潘海林.卫星推进系统发动机启动过程数值仿真[J].航空动力学报, 2005, 20(4):698-701 [2]SU L F, ZHANG L H, PAN H L.Numerical simula-tion on the starting process of satellite propulsion system[J].Journal of Aerospace Power, 2005, 20(4):698-701 [3]林景松, 王平阳, 高红, 等.液体火箭发动机关机水击的数值模拟[J].上海航天, 2008, 25(3):53-57 [4]LIN J S, WANG P Y, GAO H, et al.Numerical simu-lation of the water hammer in shutting liquid rocket engine[J].Aerospace Shanghai, 2008, 25(3):53-57 [5]陈新华, 聂万胜, 戴德海.小推力液体火箭推进系统脉冲工况数值模拟[J].装备指挥技术学院学报, 2003, 14(1):54-57 [6]CHEN X H, NIE W S, DAI D H.Numerical simula-tion of pulse operation for small thrust liquid rocket propulsion system[J].Journal of the Academy of Equipment Command & Technology, 2012, 14(1):54-57 [7]聂万胜, 陈新华, 赵文涛, 等.姿控发动机脉冲工作的管路瞬变特性[J].国防科技大学学报, 2002, 24(1):14-17 [8]NIE W S, CHEN X H, ZHAO W T, et al.Transient characteristics during pulse operation of liquid feed line for the attitude control rocket engine[J].Journal of National University of Defense Technology, 2002, 24(1):14-17 [9]戴佳, 黄敏超, 沈赤兵, 等.挤压式液体火箭发动机关机水击特性研究[J].上海航天, 2007, 1(/):52-55 [10]DAI J, HUANG M C, SHEN C B, et al.Study on wa-ter hammer characteristics in pressure-fed liquid rocker engine[J].Aerospace Shanghai, 2007, 1(/):52-55 [11]张黎辉, 李家文, 张雪梅, 等.航天器推进系统发动机动态特性研究[J].航空动力学报, 2004, 19(4):546-549 [12]ZHANG L H, LI J W, ZHANG X M, et al.Dynamic characteristics study of spacecraft propulsion system engine[J].Journal of Aerospace Power, 2004, 19(4):546-549 [13]刘洋, 曹文庆, 唐斌运, 等.试验台冷却水系统水击压力仿真研究[J].火箭推进, 2016, 42(1):83-87 [14]LIU Y, CAO W Q, TANG B Y, et al.Simulation study on water hammer pressure in cooling water system of LRE test-bed[J].Journal of Rocket Propulsion, 2016, 42(1):83-87 [15]陈宏玉, 刘红军, 刘上.水击问题的谱方法计算[J].火箭推进, 2012, 38(3):7-11 [16]CHEN H Y, LIU H J, LIU S.Spectral-Fourier method for water hammer[J].Journal of Rocket Propulsion, 2012, 38(3):7-11 [17]陈宏玉, 刘红军, 陈建华, 等.超谱粘性法在推进剂供应管路非定常流动分析中的应用[J].推进技术, 2012, 33(5):804-808 [18]CHEN H Y, LIU H J, CHEN J H, et al.Numerical simulation of fluid transients by Chebyshev super spectral viscosity method for propellant lines[J].Journal of Rocket Propulsion, 2012, 33(5):804-808 [19]刘昆, 张育林.一维可压缩流的有限元状态空间模型[J].推进技术, 1999, 20(5):62-66 [20]LIU K, ZHANG Y L.Finite elements state space model for one dimensional compressible fluid flow[J].Journal of Propulsion Technology, 1999, 20(5):62-66 [21]MAJUMDAR A K.Numerical modeling of fluid tran-sient by a finite volume procedure for rocket propul-sion systems[C]// Proceedings of 4th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference. Honolulu, Ha-waii, USA: ASME/JSME, 2003: 2967-2974. [22]周晨初, 李舒欣, 陈宏玉, 王丹, 等.液体火箭发动机关机水击特性仿真[J].火箭推进, 2021, 47(1):70-75 [23]ZHOU C C, LI S X, CHEN H Y, et al.Simulation on water hammer during liquid rocket engine shut-down[J].Journal of Rocket Propulsion, 2021, 47(1):70-75 [24]TIJSSELING A S, BERGANT A.Meshless computa-tion of water hammer [C]//Proceedings of 2nd IAHR International Meeting of the Workgroup on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems. Timisoara, Romania: IAHR, 2007: 1-7. [25]张峥岳, 康乃全.轨姿控液体火箭发动机水击仿真模拟[J].火箭推进, 2012, 38(3):12-16 [26]ZHANG Z Y, KANG N Q.Simulation of water ham-mer in liquid rocket engine of orbit and attitude con-trol system[J].Journal of Rocket Propulsion, 2012, 38(3):12-16 [27]潘辉, 张黎辉.软件在液体火箭发动机系统动态仿真上的应用[J].火箭推进, 2011, 37(3):7-11 [28]PAN H, ZHANG L H.Application of AMESim in dy-namic characteristic simulation of liquid rocket en-gine system[J].Journal of Rocket Propulsion, 2011, 37(3):7-11 [29]李君海, 果琳丽, 梁鲁, 等.基于仿真的月面着陆器上升级推进系统动态特性研究[J].载人航天, 2015, 21(1):25-31 [30]LI J H, GUO L L, LIANG L.Simulation study of propulsion system dynamics in lunar lander ascend module[J].Manned Spaceflight, 2015, 21(1):25-31 [31]窦唯, 胡长喜.液体火箭发动机水击特性仿真及试验研究[J].火箭推进, 2013, 39(2):40-45 [32]DOU W, HU C X.Simulation and testing research for water hammer characteristic of liquid rocket en-gine[J].Journal of Rocket Propulsion, 2013, 39(2):40-45 [33]晏政, 彭小辉, 程玉强, 等.航天器推进系统水击及其抑制方法[J].航空动力学报, 2012, 27(9):2028-2034 [34]YAN Z, PENG X H, CHENG Y Q, et al.Research of water hammer and its suppression methods for spacecraft propulsion system[J].Journal of Aero-space Power, 2012, 27(9):2028-2034 [35]周晨初, 张晨曦, 陈宏玉, 等.水击波压力尖峰产生的原因及其影响因素分析[J].火箭推进, 2021, 47(4):59-63 [36]ZHOU C C, ZHANG C X, CHENG H Y, et al.Analy-sis on the causes of pressure spike superimposed on water hammer and its influencing factors[J].Journal of Rocket Propulsion, 2021, 47(4):59-63 [37]何康康，娄振.基于AMESim 的姿控发动机推进剂供应管路优化设计[J].导弹与航天运载技术, 2016, /(3):9-11 [38]HE K K, LOU Z.Optimal design of propellant feed-lines of attitude control engine based on AMESim[J].导弹与航天运载技术, 2016, /(3):9-11 [39]付永领, 祁晓野.AMESim 系统建模和仿真——从入门到精通[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005: 1-110. [40]Fu Y L, QI X Y.AMESim system modeling and simu-lation-from entry to the master[J].Beijing: Beihang University Press, 2005, /(/):1-110 [41]张育林, 刘昆, 程谋森.液体火箭发动机动力学理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2005: 11-77. [42]Zhang Y L, Liu K, Cheng M S.Liquid rocket engine dynamics theory and application[M]. Beijing: Science Press, 2005: 11-77 (in Chinese).

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

姿控动力系统动态特性仿真及试验研究（第二届空天前沿大会增刊）

Experimental and Modeling study of Attitude Control Propulsion System Transients

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	姚静, 杨帅, 王梦阳, 王佩. 一种低功耗数字阀建模、性能分析及试验验证[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 430747-430747.
[2]	吕定翀, 赵守军, 曾思, 付剑, 胡心童, 刘会祥, 苗克非, 付永领. 高性能伺服电机泵关键技术及挑战[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 630225-630225.
[3]	高琦翔, 张丁为, 杨立军, 富庆飞. 反压条件下离心喷嘴动态特性实验[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 127130-127130.
[4]	高丽敏, 欧阳波, 姜衡, 葛宁, 李瑞宇. 快速响应压力敏感涂料截止频率实验研究[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 127556-127556.
[5]	任孝文, 李平, 陈宏玉, 周晨初. 管路中常温推进剂的两相充填特性仿真[J]. 航空学报, 2022, 43(2): 125047-125047.
[6]	丁水汀, 张向波, 杜发荣, 姬芬竹, 周煜. 石墨多孔介质气体轴承研究综述[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 525655-525655.
[7]	王河缘, 李胜, 阮健. 惯性力平衡式二维燃油泵的设计与研究[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 424696-424696.
[8]	高丽敏, 姜衡, 葛宁, 杨冠华, 陈顺. 基于寿命法的压力敏感涂料静/动态特性实验[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 124120-124120.
[9]	林献武, 王仕超, 李智斌, 兰维瑶. 飞艇动导数与附加质量相互融合的方法[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 123648-123648.
[10]	石旭东, 蒋贵嘉, 张宇, 赵宏旭. 基于联合仿真的飞机空调系统故障影响[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 323647-323647.
[11]	龙谦, 阮健, 李胜, 何晋飞. 考虑气穴影响的2D压力伺服阀稳定性[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 423281-423281.
[12]	王强, 马志赛, 张欣, 刘艳, 丁千. 基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 223507-223507.
[13]	孟彬, 王登, 徐豪, 刘备. 磁悬浮斜翼节静动态特性[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 423358-423358.
[14]	夏天翔, 卢岳良, 柯兵. 飞机冲压空气涡轮系统的动态特性分析[J]. 航空学报, 2020, 41(3): 423242-423242.
[15]	金丁灿, 阮健. 二维燃油泵的设计与研究[J]. 航空学报, 2019, 40(5): 422730-422730.