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“数字仿真、创新融合”多管齐下 我所开启液体动力研制新模式
发布时间:2022-10-14关闭此页


“数字世界多次迭代,物理世界一次成功”,这是时下西安航天动力研究所开启液体动力研制新模式的生动写照。近期,一连串“八年九机”新型号研制取得重大突破的喜讯纷至沓来,更让人们对我所“数字、仿真、创新、融合”多管齐下,开启液体动力研制新模式刮目相看。

某型高压补燃发动机在半系统试车成功基础上,成功完成了2台整机热试车,创造了国内大推力发动机最长首次整机试车时间,标志着该型发动机关键技术取得重大突破;

我国首型空间泵压式补燃循环发动机分别成功完成首次半系统试车和首台整机试车,开展5次点火起动,创造我国补燃发动机首台整机试车最多的起动次数;

我国下一代运载火箭主用全数字化液氧煤油发动机,首台燃气发生器-涡轮泵联试取得圆满成功,为该型发动机后续研制进程奠定了坚实基础……

构建数字模型 协同研制能力提升

510日,我国下一代运载火箭主用全数字化液氧煤油发动机,首台燃气发生器-涡轮泵联试取得圆满成功,为发动机加快推进整机试车及后续研制进程奠定了坚实基础。从20193月发动机正式立项研制,仅仅三年多的时间就完成了发动机总体、燃气发生器、涡轮泵、流量调节器等关键组件的技术验证。与传统的新型发动机研制相比,大大缩短了研制进度。“我们基于TC+NX协同设计平台,首次实现厂所三维设计、工艺、生产的数据交互和模型传递全贯通,消除了信息孤岛问题。”该型发动机总师杨亚龙说。

近年来,面对新产品研制,我所科研团队聚焦发动机数字化研发,构建数字模型,提升协同研制能力。利用单一数据源,实现从设计端到生产端的映射,确保三维模型、技术状态的有序组织和精准传递,保证了设计方案与生产配套的一致性,提高了生产的效率和质量。基于协同设计平台,实现设计与生产之间三维模型、三单文件的共享和传递,设计与试验单位数字任务书的共享与传递。实行分阶段数字化研制模式,保障关深技术方案与产品的快速迭代。

在三维模型设计过程,工艺提前介入,通过IPT协调研制模式,设计与工艺充分交底,加快方案迭代,提高设计和沟通效率,并首次将IPT过程会签引入三维图样审签流程,实现了设计执行过程全要素的显性化,提升了图样审签过程完善度,确保设计文件、工艺信息的准确交互和传递,显著提升了全周期研制效率,是试车取得一次成功的重要举措之一。

数字仿真迭代 设计验证效益提升

“应仿尽仿、能仿尽仿,让设计全面支撑型号研制,通过仿真预示,将试验风险前置,通过提前采取措施,降低试验风险,真正实现‘数字世界多次迭代,物理世界一次成功’。”某型高压补燃发动机副主任设计师王鹏武介绍。

在发动机研制之初,总体室和专业室建立了结构强度、系统动力学、流动与传热仿真技术小组,与设计仿真中心“背靠背”开展了全过程、全工况、全专业领域的仿真迭代,充分模拟发动机工作过程,加速了发动机方案快速迭代和快速研制,同时锻炼和培养出了一大批仿真人才队伍。

在研制过程中,将仿真工作纳入研制流程,仿真分析报告和仿真模型按照编、校、审批进行管理,通过试验数据进一步修正校核仿真模型,固化仿真成果,并建立了仿真评估标准。

在保证成功的同时,形成了更精确的仿真模型和换算准则,建立了仿真知识库,仿真能力大幅提升。在各项系统级地面试验前,均提前开展了仿真计算预示,指导试验工况的设计,再用试验数据修正仿真模型,不断提高仿真精度。静态仿真与试车实测值比较、起动过程动态仿真与试车实测值比较,经过大量三维仿真计算修正后的发动机静态仿真模型,实现了与首次半系统涡轮泵转速实测值高精度匹配。

通过三型发动机的研制,我所已经把仿真计算纳入发动机研制流程,重要仿真报告开展所级技术评审,仿真计算模型和计算报告一起同步归档,构建起全方位的仿真指导设计的研制模式。

创新设计赋能 产品迭代速度提升

面对新研型号技术指标要求高、产品生产资源保障能力不足的挑战与现状,我所型号研制团队充分发挥增材制造的技术优势,探索采用以“拓扑优化”为代表的面向增材制造体系的创新设计技术,形成了液体火箭发动机基于拓扑优化的轻质化设计、结构与功能一体化设计、复杂组件集成设计等创新设计体系,极大释放了传统加工模式对设计师的创新限制,实现发动机设计推质比提升,达到同类发动机世界领先。

以此三型发动机研制为代表,它们充分发挥增材制造的技术特征,有效保障了关键组件产品快速实现、技术快速验证和方案快速迭代。其中下一代运载火箭主用全数字化液氧煤油发动机整机已采用3D打印的组件总重量超过发动机总重25%,如氧主阀、流量调节器壳体、总装轻质化卡箍等。某型空间泵压式补燃循环发动机推力室再生冷却身部、主涡轮泵壳体、氧/燃泵离心轮、氧化剂预压涡轮泵壳体、氧/燃主阀壳体、燃气弯管等均采用3D打印制造,重量占比约38%。某型高压补燃发动机射流泵弯管、承力座、支座、径向约束装置、燃料入口四通、燃料主阀壳体等采用3D打印制造,重量占比约10%(发动机总重约850kg)。通过3D打印快速制造,有效保证了三型发动机的研制进度,助力系统级方案考核和关键技术突破。

融合优势资源 协作攻关规模提升

“航天骨干企业和高等院校深入合作,是一条构建技术创新新体系、促进基础理论研究与科技成果转化的新路子!”首型空间泵压式补燃循环发动机主任设计师王猛满怀信心地表示。

在新型发动机研制过程中,我所积极开展产学研策划,促进产学研紧密融合,充分发挥高校、科研院所的优势力量,协同攻破关键技术,降低研制风险。

航天企业与高校在科研创新上各有优势,而组建联合创新团队是两个优势单位合作的实质性推进,能够将双方优势有机耦合,推进产学研融合和科技体系创新。基于这样的联合创新体,将有效利用大学学科齐全、基础研究能力扎实、人才资源整合能力突出的优势,围绕重大研制任务,运行联合创新团队,有效解决人员不足的突出矛盾,加快液体动力技术攻关步伐,推进技术成果转化。

另外,三型发动机在试车中均制定了故障诊断方案,联合国内高校优势专业,在红线关机方案外,引入涡轮泵位移突变监测、伺服控制故障报警监测等故障诊断新技术,多角度多方面控制试车风险,保证产品和试车台安全。故障诊断技术的应用,使得发动机首次整机试车时间提前,均超过合同任务书时间的一倍以上,大踏步地开展全系统验证考核,加快了研制进度。

借助测试技术专业研究机构力量,在发动机联试中采用了光纤动应变测试、光纤测振、激光测振、超声波无损检测、基于图像的位姿测量等新型先进测试技术,实现了对发动机结构运行特性和损伤特性的监测,在一次试验中获得了更充分的信息,为后续产品方案优化、仿真改进等提供直接数据支持。

 

此三型发动机作为六院“八年九机”中的三型重要发动机,均采用高压补燃技术,技术指标要求高、进度紧。我所研制团队深入挖掘总结了验证试车成功背后的经验,在不断地摸索和试验中,探索了主动力发动机的数字化研制模式,在“八年九机,争创第一”的目标指引下,将有力支撑航天液体动力事业实现“高质量、高效率、高效益”全面发展。

 

 

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