航空动力学报
JOURNAL OF AEROSPACE POWER
1998年  第13卷  第1期科技期刊

液体火箭发动机静态仿真通用模块化方法

国防科技大学 黄卫东**　朱恒伟 王克昌 陈启智
【摘要】  提出了一种新的液体火箭发动机静态仿真模块化计算方法。该方法按照
预定的计算顺序，对发动机系统的各个模块进行迭代计算，并采用拟牛顿法求解系
统可调变量。该方法对各种发动机静态仿真具有通用性，可用于分析发动机系统内
外干扰因素对发动机性能的影响、发动机静态故障仿真或发动机调整计算。该方法
能较大地减少系统未知量数目，求解速度快，精度高。该方法已在计算机上采用面
向对象程序设计实现，本文给出了用该程序对某液体火箭发动机进行静态特性计算
的结果。
主题词：  液体火箭发动机  静态  仿真   模块化程序
分类号：  V434

１  引  言

    液体火箭发动机静态特性的计算与分析，一般采用线性化方法或非线性方法。
小偏差方法要对发动机系统方程进行线性化，线性化比较麻烦，而且当发动机工作
状态偏离额定点较远时，用这种方法计算会带来较大的误差。非线性方法要建立描
述发动机性能参数和内外干扰因素之间关系的一组非线性代数方程组，然后编程计
算［1，2］。对不同型号的发动机，使用该方法需要重新推导方程，而且方程数目多。
这两种方法都不具备通用性。本文提出模块化计算方法可以对不同型号的发动机进
行分析，而且系统未知量较少，求解速度快、精度高。该方法不需要推导方程，只
需要根据发动机系统组织输入文件，便可对不同型号发动机进行计算。

２  算法的基本原理

    各种型号的泵压式液体火箭发动机都是由推力室、泵、涡轮、预燃室、管道等
基本的部件组成，可以对各类部件建立计算模块，这些模块由公用数据、模块专用
数据和模块的功能函数组成。这在采用面向对象程序设计时很容易由定义类来实现。
如果发动机系统中有新的部件，则可定义新的类并入程序中，这使得程序易于维护。
液体火箭发动机系统由基本模块组成，只要得到了各个模块的解，系统的解也就可
以得到。

    液体火箭发动机静态仿真模块化计算方法先根据发动机系统方案画出相应的模
块化图，并给模块编号。编号的原则是对模块按顺序计算时，编号靠后的模块的输
入数据能从编号在其前面的模块的公用数据中取得，一般可按照推进剂流动方向进
行编号。

    进行发动机系统静态特性计算时，发动机系统中的流量平衡、功率平衡和压力
匹配都必须满足。定义系统功率平衡指标、流量平衡指标以及压力平衡指标如下：

    功率平衡指标：，Ns为伺服功率，Nt为涡轮功率，Np为泵功
率，k为涡轮带动的泵的数目。

    流量平衡指标：，用于汽蚀文氏管时，为文氏管出口流量，为在
文氏管前与文氏管相连元件出口流量。用来表示流量设计指标约束时，为实际流量，

为设计流量。

    压力平衡指标：ep=Pout／Pmix，Pout为在汇合点上游与汇合点相连元件出口压力，
Pmix为汇合点压力。

    显然，系统处于平衡状态时，这些平衡指标值都应为1。对具体的发动机系统，其平
衡指标可用如下形式表示：fi(x1，x2，…，xn)=ei     (i=1，2，…，n)。ei为系统平衡
指标，xi为系统未知变量(如泵入口推进剂流量等)。对系统按预定的计算顺序对所有模块
进行一次计算后，系统平衡指标ei的值不一定都是1，可用拟牛顿法求解系统可调变量xi。
由于函数关系fi是未知的，因此用拟牛顿法求解时必须用差商来代替偏微分。

３   部件模型与设置平衡指示器

    采用面向对象程序设计，每种部件模型用一个类来表示。类中包含公用数据、专用数
据、对象初始化函数和部件的功能函数，部件的功能函数根据描述部件行为的方程来编写。

    为了便于对模块顺序计算，分别设定了各类部件的公用数据和专用数据。以泵
为例，其部件方程可用下面两个方程表示：

Pout=Aρn2-Bn-（C2／ρ）+Pin ， Np＝［(Pout-Pin)］／（ηp・ρ）

方程中A，B，C为常数，n转速，ηp为泵效率，Np为泵功率，为流量，ρ为密度，pin
和pout分别为泵的入口和出口压力。则泵类专用数据为n，A，B，C，ηp和Pin，公用
数据为，ρ，Pout和Np。专用数据A，B，C和ηp是泵本身所固有的，专用数据n，Pin
和公用数据，ρ的值由运行对象初始化函数从在泵前面与泵相连的对象的公用数据中
获得。运行泵类的功能函数后，其公用数据可被在泵后与泵相连的对象使用。除对应
系统未知量的公用数据外，对象的公用数据对于编号在其后面的对象是只读的，数据
的值不能改变。所用这些封装措施使得按预定顺序对每个模块进行计算时，只需考虑
使用在该模块前面与之相连的对象的公用数据。

    现已建立了泵、流量分配器、混合器、燃气发生器、涡轮、推力室、压降元件、
汽蚀文氏管、比例分配器、压力平衡指示器、功率平衡指示器、流量平衡指示器、
虚拟转速发生器以及贮箱等14类部件模型，这些部件模型基本上可满足系统静态仿
真计算的需要。另外，还可根据需要来建立新的部件模型。

    判断模块化计算结果是否是系统的解，关键看系统所有的平衡指标是否都满足。
三类平衡指标的设置要根据发动机系统来定。在本文处理方法中，一般在涡轮泵处设
置功率平衡指标，在汽蚀文氏管处设置流量平衡指标，在汇合点处设置压力平衡指标。
这是因为，依照预定顺序计算发动机系统模块，当计算到汽蚀文氏管时，文氏管前的
元件的出口压力、流量、密度已由该元件确定。而给定文氏管入口压力后，文氏管的
流量便可确定，因此文氏管处存在流量平衡问题，必须设立流量平衡指标。同理，当
计算到汇合点时，与汇合点相连多个元件的出口压力也与汇合点压力存在压力平衡问
题，因此在汇合点处必须设置压力平衡指标。

４  应用实例与分析

    应用模块化方法对某液体火箭发动机进行了计算分析。该发动机的系统简图见文
献［2］，图1是对应于该发动机系统的模块化计算图。图中共有6个平衡指标指示器，
其中模块C27和C28用于计算文氏管流量平衡指标，模块C29用于计算涡轮泵功率平衡指
标，模块C31，C32和C33用于计算泵后至燃烧室的压力平衡指标。系统未知变量与平衡
指标数目相等，也是共6个。它们分别是系统氧化剂流量、燃料流量、虚拟转速发生器
C3的转速以及流量分配器C6，C8和C20的流量分配系数。


图1 液体火箭发动机模块化计算图

    本文分别计算了以下3种情况发动机性能参数的变化：

    (1)氧化剂泵入口压力增加0.098 MPa，其它干扰因素不变。部分计算结果见表1。

    (2)氧化剂泵效率下降0～25%时，其它干扰因素不变。发动机氧化剂流量相对变
量A、发动机燃料流量相对变化量B、氧化剂喷前压力相对变化量C、燃料主管道分支
处压力相对变化量D以及涡轮转速相对变化量E如图2所示。计算结果表明，对该发动
机系统，本方法的收敛精度可达10-8，而文献［2］方法的最高收敛精度只能达到10-6。
并且在初值和收敛精度相同时，本方法的计算时间比文献［2］方法的计算时间快10
倍以上。这主要是因为对于同一个系统，采用模块化方法大大减少系统未知量的个数，
并且本文所定义平衡指标是相对量。(3)增大氧化剂喷注器流阻系数，模拟氧化剂喷注
器阻塞故障。各参数相对变化量如图3所示。

表1 性能参数仿真结果表
序
号名 称所属公用
数据代号变 化 值
1
2
3
4
5
6
7
8氧化剂泵功率
燃料泵功率
涡轮功率
发动机氧化剂流量
发动机燃料流量
发动机混合比
燃烧室压力
发动机推力D5
D7
D21
D1
D2
D32
D33
D337.69 kw
-2.69 kw
5.00 kw
1.2737 kg/s
-0.1886 kg/s
0.01817
0.02945 MPa
3.072 kN

    值得指出的是，图1中的节流圈C17和C24的流阻系数在进行静态特性仿真时是已知
的。其实只要将这两个节流圈压降可设置可调变量，并增加燃烧室氧化剂流量和燃料
流量为设计值这两个约束(用两个流量平衡指标表示)，便可计算出节流圈所需消耗的
压降，调整计算由此可完成。另外，本方法还可用于发动机功率平衡计算和发动机动
态特性模拟。

图2 氧化剂泵效率下降时参数变化图          图3 氧化剂喷注器阻塞时参数变化图

５ 结 论

   提出的模块化计算方法对各种发动机静态仿真具有通用性，可用于分析发动机系
统内外干扰因素对发动机性能的影响、发动机静态故障仿真或发动机调整计算。该方
法能较大地减少系统未知量数目，求解速度快，精度高。该方法已在计算机上采用于
面向对象程序设计。

男  27岁  博士生   长沙市国防科技大学一系研究生队  410073
参考文献
1郭克芳．液体火箭发动机静态仿真的探讨．推进技术，1987，8(3)：41-46
2吴建军等．液体火箭发动机稳态故障仿真及分析．推进技术，1994，15(3)：6-13

1996年12月收稿；1997年5月收到修改稿。

（责任编辑  杨再荣）
