题目：固液混合火箭发动机多学科设计优化研究

火箭技术是发展空间技术和国防事业的重要基础，推进系统则是运载火箭的心脏。固液混合火箭发动机具有安全性高、可靠性好、成本低、环保、易实现推力调节和多次启动等众多优点，使其在探空火箭、运载火箭、助推器、宇宙飞船等领域具有较强的竞争力和应用前景。固液混合推进技术虽然经过80多年的发展，已取得不少研究成果，但由于种种原因，其技术成熟度和应用广泛程度仍远逊于固体和液体火箭发动机，还有一些关键技术需要突破，才能真正发挥其潜力，使其得到大规模应用。基于仿真的固液混合火箭发动机设计涉及燃烧、气动、传热、结构、振动、控制和成本等等多个学科专业，各学科间存在耦合关系。本文在数值仿真的基础上，采用理论和应用研究相结合的方式对发动机的各个组件和系统进行多学科设计优化研究，攻克关键技术，通过挖掘学科间的协同效应，有效地提高发动机质量并加快设计过程，从而为产品或型号研制提供有力的技术支持。阐述了论文的研究背景和意义，概括了固液混合火箭发动机和多学科设计优化的国内外发展概况，在大量文献研究的基础上，分析了进行固液混合火箭发动机多学科设计优化的意义和必要性。对多学科设计优化的相关方法和技术进行了研究，重点对用于探索设计空间最优值的智能优化算法和适用于当前固液混合火箭发动机多学科设计优化的策略进行了深入研究。提出了一种全局搜索能力强、收敛速度快、精度高的改进差分进化算法。对目前常用的多学科设计优化策略进行了深入的比较分析，得出了MDO方法的选择依据。采用基于流-固耦合的准稳态方法，开发了一个用于计算推力室燃烧流动过程和预测固体燃料燃速的数值仿真程序。在此基础上，分析了车轮形装药和星形装药的内弹道性能；采用试验设计和优化技术相结合，对高效燃烧技术进行了深入研究，重点分析了前后燃室结构、分段扰流结构、后燃室扰流结构对燃烧效率的影响，还采用90%H2O2/HTPB发动机对后燃室扰流结构进行了验证试验。这些数值仿真和试验研究的结论为合理设计推力室结构奠定了理论基础，指明了方向。采用智能优化算法进行了装药优化设计。对常用的管形药柱、星形药柱和车轮形药柱进行了参数化造型，重点分析了多通道车轮形药柱和星形药柱的主要几何参数对内弹道参数的影响；对“北航3号”探空火箭的变推力固液混合火箭发动机进行了优化设计，提高了发动机内弹道性能；对分段装药进行了数值仿真研究，研究了孔数和下游药柱的长度比例对燃烧效率的影响，计算表明合理的分段装药能有效地提高发动机的燃烧效率和比冲。这些结论为工程设计提供了依据。对固液混合火箭发动机整个系统进行了多学科设计优化。针对固液混合火箭发动机的工作原理和结构特点，将发动机分为推力室和氧化剂供应系统两个子学科，建立了各子学科模型和多学科设计优化模型；并针对两个不同的应用领域，对两台面向工程应用的固液混合火箭发动机进行优化设计，分析了主要设计参数对动机性能的影响，得到了这两台发动机的最优设计方案，为工程设计和应用提供充分可靠的理论依据。