鉴于目前国内外还鲜有专门针对液体火箭发动机优化设计的著作,为满足相关专业学生和工程设计人员的需要,在民用航天计划和北京航空航天大学的支持下,作者结合相关研究报告和教学讲义编著了《液体火箭发动机优化设计》。
《液体火箭发动机优化设计》系统介绍了液体火箭发动机优化设计的相关理论和方法,包括经典的局部优化算法、全局智能优化算法和优化设计中常用的相关技术,如多目标处理、建立近似模型等;以我国新一代运载火箭主发动机YF-100液氧/煤油发动机和YF-77液氧/液氢发动机为研究对象,对发动机系统、燃烧装置、旋转装置以及管路阀门等进行了系统全面的仿真与优化设计方法介绍。
《液体火箭发动机优化设计》适合相关专业的研究生和工程技术人员学习参考。
航天技术是现代科学技术中发展最快的尖端技术之一,研制大推力、高可靠性的运载火箭是发展航天技术的重要基础。液体火箭发动机由于具有性能高、适应性强、工作安全可靠和工作时间长等优点,在运载火箭中得到了广泛应用。
随着航天技术的进一步发展,研制高比冲、高可靠性、低成本、无毒无污染的液体火箭发动机是航天推进技术发展的必然趋势。将优化技术应用于液体火箭发动机设计,能显著提高发动机的设计水平和性能,缩短发动机的设计周期,提升航天运载的能力和水平。美国航天飞机的主发动机SSME、日本H-2运载火箭的LE-7发动机、欧洲阿里安五运载火箭的Vulcain发动机在设计研制中都采用了多种优化技术和方法。
中国正研制以“长征五号”为代表的新一代无毒无污染、高可靠性、低成本系列运载火箭。“十五”以来,北京航空航天大学、航天科技集团六院西安航天动力研究所、北京航天动力研究所三家单位组成研究团队,在民用航天计划的支持下,对新一代运载火箭的YF-100液氧/煤油发动机和YF-77液氧/液氢发动机进行了系统、全面的仿真和优化设计研究,形成了具有自主知识产权的液体火箭发动机仿真与多学科优化设计平台;研究成果还应用到YF-75D液氧/液氢发动机和液氧/甲烷发动机的设计研制当中。
鉴于目前国内外还鲜有专门针对液体火箭发动机优化设计的著作,为满足相关专业研究生和工程设计人员的需要,本书在相关研究报告和教学讲义的基础上编著而成,系统介绍液体火箭发动机优化设计的相关理论、方法及其应用。
全书共10章。第1章为绪论,主要对液体火箭发动机的发展历程、液体火箭发动机设计技术的发展趋势、液体火箭发动机优化设计的发展概况和意义等进行概述;第2章为优化设计的基本概念,介绍优化问题的描述与分类、优化算法和优化问题的解;第3章为常用的经典优化算法,介绍一维搜索方法、无约束优化方法和约束优化方法;第4章为群智能优化算法,介绍粒子群优化算法、差分进化算法、蚁群算法和量子优化算法;第5章为优化设计相关技术,介绍梯度计算方法、多目标优化方法、高维多目标可视化技术、近似技术和计算机试验设计分析;第6章为多学科设计优化,介绍多学科设计优化的定义、研究概况、发展趋势、典型应用、研究内容及软件框架;第7章为液体火箭发动机系统仿真与优化设计,介绍液体火箭发动机总体设计,系统静、动态特性仿真,并对系统进行优化设计;第8章为推力室和燃气发生器仿真与优化设计,介绍燃烧流场仿真、传热与结构强度仿真,并分别对推力室、喷管和燃气发生器进行优化设计;第9章为涡轮泵仿真与优化设计,介绍涡轮泵流场和结构强度的数值仿真,并分别对涡轮和泵进行优化设计;第10章为管路阀门仿真与优化设计,介绍管路系统典型元件的仿真模型、涡轮气封减压试验系统仿真、液氢三贮箱系统仿真,并分别对减压阀和推力室头部弯管进行优化设计。
本书的撰写得到了多位领导和专家学者的支持和帮助。国防科工局田玉龙副局长、李国平司长、许洪亮司长、于国斌副司长和航天科技集团一院郝希凡院长助理、马志斌副部长对项目研究给予了大力支持与指导;中国人民解放军航天工程大学庄逢辰院士,航天科技集团科技委谭永华副主任,航天科技集团一院王珏、尘军研究员,航天科技集团六院周利民、栾希亭、李斌研究员对研究工作给予了长期关心与帮助;航天科技集团六院西安航天动力研究所刘战国、陈建华研究员和航天科技集团六院北京航天动力研究所季文好、王维彬、孙继国、乔桂玉研究员在研究工作中付出了辛勤劳动;北京航空航天大学张振鹏、梁国柱、孙冰、徐旭教授,李家文、田爱梅、张黎辉、祝成民副教授,陈阳、张建伟等教师和研究生池元成、陈文杰在液体火箭发动机系统和各部件仿真方面参与了研究工作;张振鹏教授对本书的撰写提出了许多宝贵的意见和建议,在此对他们表示衷心的感谢。研究生侯金丽、李欣、戴健、王远和张晟承担了文字校对和插图修改工作,在此一并表示感谢。
由于本书涉及专业面广、涵盖内容多,难免存在错误与欠妥之处,敬请读者批评指正。
蔡国飙,北京航空航天大学教授、教育部高等学校航空航天类专业教学指导委员会主任委员、“航天器设计优化与动态模拟技术”教育部重点实验室主任、长江学者特聘教授、973首席科学家、国家百千万人才工程“有突出贡献中青年专家”、享受国务院特殊津贴专家,探月工程嫦娥三号、嫦娥四号任务突出贡献者,中国优秀博士后和全国优先博士后。长期从事航空航天领域的教学科研工作,在火箭发动机仿真优化与重复使用技术、固液混合动力火箭技术、火箭发动机喷流效应及防护技术方面开展了卓有成效的研究,获国家技术发明二等奖2项、国防和军队科技一等奖4项、北京市教育教学成果一等奖1项。
第1章 绪论
1.1 液体火箭发动机的发展历程
1.2 液体火箭发动机设计技术的发展趋势
1.3 液体火箭发动机优化设计的发展概况
1.4 优化设计对液体火箭发动机研制的重要意义
第2章 优化设计的基本概念
2.1 优化问题的数学描述
2.1.1 设计变量
2.1.2 目标函数
2.1.3 约束条件
2.1.4 优化设计模型
2.2 优化问题的分类
2.2.1 连续优化与离散优化
2.2.2 确定性优化与不确定性优化
2.3 优化算法
2.4 优化问题的解
2.4.1 凸函数
2.4.2 最优解的存在性和唯一性
2.4.3 最优性的充分和必要条件
2.4.4 判断全局最优解的方法
2.4.5 算法的收敛速度和终止准则
第3章 常用的经典优化算法
3.1 一维搜索算法
3.1.1 进退法
3.1.2 序列消去法
3.1.3 二次插值法
3.2 无约束优化方法
3.2.1 最速下降法
3.2.2 牛顿法
3.2.3 拟牛顿法
3.2.4 鲍威尔法
3.2.5 单纯形法
3.3 约束优化方法
3.3.1 外罚函数法
3.3.2 内罚函数法
3.3.3 二次规划算法
3.3.4 序列二次规划法
第4章 群智能优化算法
4.1 概述
4.2 粒子群优化算法
4.2.1 标准粒子群优化算法
4.2.2 带惯性权重的粒子群优化算法
4.2.3 带收缩因子的粒子群优化算法
4.2.4 动态目标的粒子群优化算法
4.2.5 反向扰动的粒子群优化算法
4.2.6 基于小生境和交叉选择的粒子群优化算法
4.3 差分进化算法
4.3.1 基本差分进化算法
4.3.2 中心变异差分进化算法
4.3.3 三角变异差分进化算法
4.3.4 基于粒子群优化的改进差分进化算法
4.4 蚁群算法
4.4.1 基本蚁群算法
4.4.2 多目标蚁群算法
4.5 量子优化算法
4.5.1 量子计算
4.5.2 量子粒子群多目标优化算法
……
第5章 优化设计相关技术
第6章 多学科设计优化
第7章 液体火箭发动机系统仿真与优化设计
第8章 推力室和燃气发生器仿真与优化设计
第9章 涡轮泵仿真与优化设计
第10章 管路阀门仿真与优化设计
参考文献