题目：固体火箭发动机药柱设计与性能优化

论文主要完成的是一种方法研究，即在各种设计目标和限制性条件下设计不同的二维三维药柱的药型，并进一步采用序列二次规划法、遗传算法和混合优化技术进行优化设计药柱设计一直是固体火箭发动机设计中至关重要而且是主要的部分。根据要求的设计标, 固体火箭发动机设计者可以有许多现成的方案来选择和设计药型。能够满足所需的体装填分数、肉厚分数、长径比等，并能获得符合设计目标的内弹道结果的设计有许多种。是，为了在众多可能的设计中得到最好的情形，则需要一种有效的设计与优化的途径。论提出的方法着眼于这种需求，并已经引入到获取基于性能的最佳设计的过程之中。 论文工作设计完成了满足推力为设计目标的包括星型、车轮型、管槽型和星管组合型内的几种不同类型的固体火箭发动机二维药型，它们都处在所期望的诸如燃烧时间、推进质量、燃烧室的长度和直径，以及喷管和推进剂参数等的限制性条件范围内。研究中对不药型的内弹道参数和发动机性能的计算采用的是集总参数法，随后的优化计算中使用序列次规划法得到了设计的最优解。分析了所有独立的药柱几何设计变量对弹道参数的影响。优化设计的基础上，对不同药型的优化结果进行了深入的比较和分析，从而确定了满足设要求的最合适的药柱型式。论文研究所发展的设计方法已经实现了通用化，而且编制了固火箭发动机二维药型设计与优化的用户友好的软件。 另外一种技术被应用于设计和优化固体火箭发动机的三维翼柱型药柱，以满足以推进剂质量或推力所表达的设计目标。翼柱型药柱的设计过程包括几何形状变化的数学模拟和定义这种复杂药型、性能预估和优化过程的各个独立几何变量的参数计算。采用椭球面、锥面、圆柱面、球面、环面和斜平面为基本几何型面，以不同的组合来构造药柱的几何形状，从而实现药柱的几何设计计算。分析了几何变量对性能的影响，获得了药柱的初步设计，而且以这些分析为基础，为优化计算找到了初始值。优化过程首先应用了二次规划技术来寻求最优解。但是由于三维翼柱型药柱几何形状的复杂性，完全不同于二维药型，拥有大约 18 个需要优化得到可能最优解的独立的设计变量，因此三维翼柱型药柱的优化过程变得非常复杂。因为应用局部优化方法时难以确定局部收敛区域和选择合适的初始猜值，因此还应用了遗传算法与序列二次规划法相结合的混合优化方法。这种混合优化方法面对全局并兼顾局部可行区域，而且消除了错误地落入局部最优解的机会，最终收敛到全局最优解，因此，混合优化摘 要 ii 方法在设计和优化三维翼柱型药柱方面具有重要意义。通过使用混合优化技术，在要求的限制性条件范围之内，获得了所要求的设计目标。 混合优化技术在二维车轮型药柱的设计中也进行了试验和应用。计算表明，与单纯使用序列二次规划方法相比较，混合优化方法具有更高的效率。 论文研究得出如下预期的成果：（１）完成了可以设计和优化固体火箭发动机各种二维药型的理论和方法；（２）应用序列二次规划法、遗传算法和混合优化方法，发展了三维翼柱型药柱的设计与优化的理论和方法；（３）开发了固体火箭发动机二维和三维药柱设计与优化的计算机软件，作为设计工具，该软件使发动机设计更有效、更准确，并能缩短设计周期。 本论文关于药柱设计的理论和方法可以为固体火箭发动机设计人员所参考，所开发的药柱设计软件也可以在固体火箭发动机的实际设计过程中加以应用。