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【研究生培养质量提升工程】第4期 航天学院:《航天发动机综合实验》——打造高水平空天动力实践课程
2022-06-17 10:53   审核人:   (点击: )

编者按:为贯彻落实全国研究生教育会议精神和《西北工业大学一流研究生人才培养行动计划》,持续深入树典型、立标杆、推经验,总结凝练推广我校“研究生培养质量提升工程”支持建设项目的好经验、好做法,发挥优秀项目示范引领和辐射带动作用,研究生院特推出“研究生培养质量提升”系列文章,以期交流借鉴,共促提升,实现我校研究生教育高水平高质量发展。

一、课程简介

《航天发动机综合实验》以固液混合发动机和固体火箭发动机为对象,设置了固体燃料制备、固体燃料性能表征、液体氧化剂充装、固体推进剂制备、点火系统设计、固体推进剂点火燃烧、固液混合探空火箭装配、固液混合发动机地面试车实验等多个实践环节,旨在加深研究生们对火箭发动机领域相关理论的理解并提高动手实践能力,以适应新形势下学校空天动力领域研究生的高质量培养。

二、授课团队教师介绍

 

刘林林,副研究员,博士研究生导师,长期从事火箭发动机技术及固体推进剂燃烧机理研究,主讲《航天发动机综合实验》《固液混合推进技术》《固体推进剂装药安全与健康防护》等研究生课程,并参与《航天发动机燃烧》《含能材料与推进剂》《航天动力前沿技术》《动力技术科研安全》等研究生课程的授课。“固液混合发动机虚拟仿真实验案例”入选陕西省专业学位研究生教学案例库,“安全为特色的高品质航天动力综合实验课程设计”获学校研究生教育研究基金项目资助。

 

金秉宁,副研究员,硕士研究生导师,长期从事火箭发动机燃烧稳定性控制技术和发动机精细化燃烧诊断技术研究,主讲《燃烧不稳定理论》、《先进测试技术》、《航天发动机综合实验》、《动力技术科研安全》、《航天发动机燃烧概论》等研究生课程,并参与《新时代航天精神在飞行器动力工程专业教育中的融合与实践》教育教学改革研究项目。

三、全链条、多层次实践课程体系构建

课程基于现有实验条件,结合航天学院空天动力技术研究所的优势科研方向,以固液混合发动机和固体火箭发动机为对象,合理设计了实践课程内容。在固液混合发动机方面,从燃料制备,到发动机地面点火试车,再到固液混合探空火箭装配,可完成从基础部件到系统总体的全方位实践体验,不但使研究生们对火箭发动机构成、工作原理及作用有了更深入的认识,也使其参与积极性得到了明显提升。

 

实践环节组成

 

 

 

实践课程授课现场

四、以基础促创新的新型空天动力实践课程探索

为了使研究生在实践中思考,在思考中学习,在学习中成长,课程负责人刘林林老师编写了国内固液混合发动机领域的第一部专著《固液混合发动机技术基础》作为教材,该专著已入选“十四五”时期国家重点图书、音像、电子出版物出版专项规划及2022年度国家出版基金资助项目。授课团队还编写了讲义《固体火箭发动机概论》,便于研究生们预先补充相关基础知识,同时有助于研究生们及时查漏补缺,并在综合能力拓展提高方面发挥了重要作用。

 

专著封面

为了体现并提升研究生的创新能力,课程围绕某一主题设置开放性的火箭发动机设计题目来进行课程考核。研究生需要广泛查阅相关文献资料,学习发动机的工作原理及设计过程,并完成发动机设计纸制报告,再以PPT汇报的形式对设计思路、设计方法、具体结构、性能参数验证等进行全面阐述。由于题目自由度大、设计过程体系性强、设计内容复杂,且需要团队分工协作,可极大锻炼研究生们的创新能力及综合实践能力。

 

 

课程考核中设计的火箭发动机

五、安全与品质兼顾的高水平实践环节打造

火箭发动机是各类航天器及武器系统的核心动力源,在航天和国防工业中发挥着不可替代的作用。由于火箭发动机一般在高温(可达3500 K以上)和高压(可达20 MPa以上)下工作,且所用推进剂通常为危险性较高的易燃易爆品,实践过程需要在严密的安全防护下进行。为了确保实践环节安全进行,火箭发动机的装配及性能测试等实践环节往往由演示讲解代替,导致学生的实践热情不高且实践效果不理想,难以满足航天动力方向高质量育人需求。

“固液混合发动机虚拟仿真实验”以航天学院固液混合动力团队研制的某挤压式固液混合发动机为对象,在发动机详细零部件三维精细化建模的基础上,完成了发动机装配及工作过程虚拟仿真演示动画,最终形成了“固液混合发动机虚拟仿真实验案例”。

该发动机包括氧化剂供给系统和推力室两大部分。其中,氧化剂供给系统用于液体氧化剂的贮存及恒流量供给,主要由增压气瓶、减压阀、球阀、氧化剂储箱、氧化剂加注接口等部件组成。

 

氧化剂供给系统

 

       减压阀             球阀           氧化剂加注接口 

推力室是固体燃料的贮存场所,也是推进剂燃烧与能量转换场所,由前封头、喷注器、燃烧室、固体燃料药柱、点火装置和喷管等部分组成。

 

推力室

 

带有喷注器的前封头      星型固体燃料药柱      拉伐尔喷管

以发动机零部件精细化三维模型为基础,制作了发动机装配过程及工作过程的虚拟仿真演示动画。按实际操作步骤,发动机装配过程可分为后封头装配、推力室装配、氧化剂供给系统装配及总体装配四部分。

 

喷管收敛段安装

 

星型药柱安装

 

总体装配

固液混合发动机以固体燃料和液体氧化剂作为推进剂,由于液体氧化剂的流动可控,天然具备能量管理便捷的优势,因此工作过程演示包括发动机启动过程、发动机变推力过程及发动机停机过程等部分。

 

点火药柱点燃、膜片阀打开

 

大推力工况

 

节流工况

在该虚拟仿真实验中,研究生们可360°全方位地观察固液混合发动机所有部件的详细三维结构,并可反复观摩发动机的整个装配过程,因此能够对发动机的工作原理及工作状态有更为深入的认识。此外,该虚拟仿真实验具备多视角及一定的交互能力,有助于学习效果的提升。本虚拟仿真实验可完全替代危险且成本高昂的发动机实验环节,为打造安全与品质兼顾的航天动力实验课程奠定了强有力的基础。


 

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