基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)壓力建模及控制.pdf

1、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine，PDE)作為新一代航空航天推進(jìn)系統(tǒng)獲得國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。PDE中高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境使得傳統(tǒng)壓力傳感器難以長時(shí)間持續(xù)工作，進(jìn)而影響PDE基于壓力的狀態(tài)檢測與控制。本文圍繞著PDE高溫壓力測量及控制這一主題開展了基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)壓力建模及控制研究，研究成果主要有：
　　 在分析一維ZND爆震波結(jié)構(gòu)和碳?xì)溲嬷械碾婋x類型及其產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合爆震波

2、高速傳播等性能特點(diǎn)分析得出爆震波中的電離形式主要為化學(xué)電離。基于碳?xì)溲婊瘜W(xué)電離機(jī)理，分析了離子電流的形成機(jī)理，并建立爆震波中離子電流數(shù)學(xué)模型，給出離子電流的測量原理。依據(jù)爆震波中電離機(jī)理和所建立離子電流模型，得到離子電流與壓力之間的關(guān)系，為后續(xù)基于離子電流的爆震波壓力模型建立奠定理論基礎(chǔ)。
　　 為了測量爆震波中離子電流，設(shè)計(jì)并制作雙極式和單極式兩種不同結(jié)構(gòu)的離子探針，對(duì)比分析了候選探針極材料的物理、化學(xué)及電特性。為了通過試驗(yàn)確

3、定離子探針的最佳方案，構(gòu)建了兩種單次脈沖爆震系統(tǒng)和多循環(huán)脈沖爆震系統(tǒng)。通過單次脈沖爆震對(duì)比試驗(yàn)確定了離子電流測量中離子探針的結(jié)構(gòu)、極材料、極長度以及探針極間偏置電壓。通過多循環(huán)脈沖爆震試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)爆震波傳播速度測量。最后得出中心電極材料為釔、鎳鉻鐵或銅的單極短型離子探針可作為離子電流測量的傳感器，測量中偏置電壓為10V結(jié)果最優(yōu)。
　　 基于一維ZND結(jié)構(gòu)，分析了爆震管內(nèi)爆震波傳播的不同階段管內(nèi)壓力成因以及壓力變化情況，據(jù)此建立爆震波

4、前、波后氣體狀態(tài)的數(shù)值計(jì)算模型，尤其是爆震波波前和波后壓力模型。根據(jù)離子電流和爆震波壓力之間的線性關(guān)系，采用最小二乘法建立基于離子電流衰減速度的爆震波峰值壓力模型，模型驗(yàn)證結(jié)果表明該線性模型精度達(dá)到3.5％。根據(jù)離子電流信號(hào)和壓力傳感器信號(hào)波形在爆震波階段的相似性，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立離子電流到爆震波壓力之間的映射關(guān)系，討論網(wǎng)絡(luò)樣本的選擇、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的影響和確定，最終建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆震波壓力非線性模型，模型校驗(yàn)結(jié)果表明該非

5、線性模型精度高、響應(yīng)快，網(wǎng)絡(luò)的泛化能力強(qiáng)。
　　 通過分析確定波后管內(nèi)壓力受到Taylor膨脹波、Taylor膨脹波波后均勻區(qū)以及中心膨脹波的影響，依據(jù)一維非定常流理論建立Taylor膨脹波壓力簡化模型和中心膨脹波壓力簡化模型，依據(jù)Taylor膨脹波和波后均勻區(qū)之間壓力的關(guān)系，建立Taylor膨脹波波后均勻區(qū)壓力簡化模型。依據(jù)管內(nèi)壓力隨時(shí)間變化情況以及管內(nèi)壓力的連續(xù)性，將爆震波壓力非線性模型、Taylor膨脹波壓力簡化模型、Ta

6、ylor膨脹波波后均勻區(qū)壓力簡化模型以及中心膨脹波壓力簡化模型相結(jié)合，構(gòu)建爆震管內(nèi)某截面的壓力混合模型。通過壓力傳感器所測數(shù)據(jù)校驗(yàn)壓力混合模型，結(jié)果表明混合模型具有良好的精度，能夠?yàn)榛趬毫Φ腜DE控制提供可靠的壓力信號(hào)。
　　 圍繞著PDE控制，建立單循環(huán)脈沖爆震時(shí)PDE平均推力模型，總結(jié)現(xiàn)有研究中常見的基于氣動(dòng)閥的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程控制方案，并分析了各種控制方案的特點(diǎn)。利用所建立的脈沖爆震管壓力混合模型，提出基于爆震管壓