TBCC动态仿真的液压与动力学系统建模

TBCC动态仿真的液压与动力学系统建模一、摘要和前言涡轮基组合循环（TBCC）推进系统的一个动态仿真器正在研发当中，以论证TBCC工作的所有模式，包括模式转换。高马赫数瞬态发动机循环程序（HiTECC）是一个高度完整性的仿真工具，它包含TBCC系统每一个部分的模型，而这些模型的性能和可控性影响着该推进系统的推力和可操作性。这篇文章详述了在研究动态TBCC仿真器多年努力中第二年取得的液压与动力学系统建模的进展。一旦完成，该模型通过提供影响推进系统从涡轮基向冲压/超音速冲压基转换能力的系统、相互作用以及瞬态响应的数学仿真，这将对提升所有TBCC工作模式的研究现状具有重大意义。超高音速项目一直是美国航空航天局（NASA）的一个重要方向，而组合式循环推进系统的发展则是超高音速研究的一个关键。这篇论文论述的TBCC动态仿真模型发展项目提升了TBCC系统的技术准备水平，它通过开发仿真和控制软件给所有的工作模式建模，包括从燃气涡轮到双模式超燃冲压推进的模式转换。迄今为止，完成的工作有：推进系统、热管理和燃油系统以及本文论述的液压与动力学系统的研究。二、研究内容和方法1、液压与动力学系统分成四个子系统：流体子系统：模拟流经执行机构、阀及其他液压部件的流动和能量动力学子系统：模拟连接部件间转换的压力和能量能量子系统：模拟电池、转子及泵元件的流体能量储存子系统：模拟流向储存油箱及其铅制附件的液体（或从油箱及其铅制附件流出的液体）2、系统设计液压与动力学系统模型实在Simscape环境下建立的。液压模型由储存、能量和运输功能分成三个子系统，由相应的元件组成。动力学模型是使用SimMechanics扩展Simscape使它能够进行机械建模后完成的。该机械系统主要用来对进气道及尾喷管的可变几何结构进行仿真。进气道主要考虑三个元件：高速金属帽、低速金属帽和可变几何斜面。尾喷管还需建模包括：与推进系统的多数据接口、低速扩张襟翼和高速扩张襟翼的接口连接件。3、空气动力学的压力计算4、模型验证（1）使用ANSYS建立有限元模型（FEM）对HiTECC动力学模型进行验证。（2）进气道验证模型包括：可变斜面（3个）、一个低速金属帽、一个高速金属帽。结果表明：HiTECC动力学模型得到的压力与FEM模型得到的压力误差不超过0.2%。（3）尾喷管验证模型包括：低速收敛襟翼（LSC-Flap）、低速扩张襟翼（LSD-Flap）、高速收敛襟翼（HSC-Flap）、高速扩张襟翼（HSD-Flap）、高速低位襟翼（HSL-Flap）。结果表明：HiTECC动力学模型得到的压力与FEM模型得到的压力误差不超过0.1%。5、动态系统校验主要对推进系统不同工作模式下的马赫数、LSC-Flap冲程、低速尾喷管的总压、LSC-Flap上的空气动力学压力以及LSC-Flap执行机构的反作用力进行了验证。有三种不同工作模式，分别是只有燃气涡轮、燃气涡轮与双模式超燃冲压共同作用、只用双模式超燃冲压。三、总结建立TBCC推进系统数学动态系统模型的工具和程序已经得到了开发，包括低速和高速流道的液压和动力学模型。这些工具都包含在高马赫数瞬态发动机循环程序（HiTECC）中以数学计算的形式来仿真涡轮基组合循环推进系统。HiTECC是建立在Simulink环境下的一个动态涡轮发动机模型，它能够在飞行器高速瞬态研究中提供实时发动机性能预测。液压与动力学系统模型是液压和机械系统的具体物理模型，这些系统是用来激励推进系统控制的可变表面。该模型被研发成与推进系统相接以预测控制表面的实时压力负载。其中的动力学模型包含空气动力学的压力计算，与动态刚体模型一起，计算液压执行机构上的反作用力；液压模型是一个一维的不可压缩流规范求解，它通过模拟整个液压系统中流体流动和能量转移来预测液压执行机构的反应。已经证实，本文研究的液压与动态系统能够仿真TBCC推进系统超高音速工作的所有模式，包括模式转换。通过对一个TBCC发动机从马赫数2.5加速到4.7，模式转换在马赫数3.75，进行仿真测试，整个动力学系统的压力与ANSYS的有限元模型（FEM）进行对比，误差都在0.2%以内。这足以说明，该液压与动力学系统模型能够对TBCC推进系统进行很好预测与分析。