推进技术期刊，探究其在国内学术界的档次与影响力

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中国科技期刊卓越行动计划推介：《推进技术》

液体火箭主发动机结构动力学关键问题研究综述

研究背景

液体火箭主发动机是载人登月、深空探测等重大航天活动的主动力，是火箭的“心脏”，其性能和可靠性直接关系到我国未来航天事业的发展。发动机是火箭最主要的激振源，其结构动力学是分析火箭“推进-结构-控制”大回路动力学耦合、“发动机-伺服回路”小回路动力学耦合、发动机谐振与箭体模态耦合稳定性的基础。同时，发动机结构动特性关系到自身结构对给定激励的响应，又是自身强振动最直接的受害者，是全箭故障率*高的部位。由于发动机结构复杂、服役环境极端，多学科耦合，极致轻量化导致其疲劳强度储备不高，复杂燃烧、流动与机械振动等诱发的结构动力学问题异常突出，动强度可靠性已严重制约发动机的研制进程。结构动力学问题是大推力液体火箭发动机研制工作中非常关键的基础问题之一，目前已成为运载火箭组织研究的热点与难点。

本文在系统性介绍液体火箭主发动机的结构特点、工作环境载荷特征及故障统计分析的基础上，深入研究了涡轮泵、推力室、自动器、管路连接及整机的主要故障模式，并分析了各部组件、整机结构的典型动力学技术问题。

解决的问题及创新

液体火箭主发动机是一个高度集成的大型复杂、多尺度、多维度动态系统，结构非常复杂且紧凑。同时，发动机所服役的载荷环境极端，复杂环境载荷对发动机形成多源、多点、多方向及宽频的时/空激励。发动机结构动力学问题异常突出，是导弹武器、航天运载器故障率*高的子系统，涡轮泵、推力室、管路连接故障最为常见，结构疲劳、断裂、碰磨、泄漏等为主要的故障模式。

本文系统性梳理出发动机典型部组件的结构动力学关键问题，介绍动力学问题在型号中表现的故障现象，分析问题产生的机理，综述问题研究进展，并指出后续研究工作的方向。主要包括：

（1）涡轮泵是泵压式液体推进剂供应与控制系统的关键部件，是发动机的三大振源之一。涡轮泵动力学设计主要面临两大类问题：一是涡轮泵轴系及其支承结构的转子动力学问题；二是流致振动问题，即研究极端环境下流体激振机理与振动抑制方法，主要包括诱导轮空化激振、动静干涉流体激振、间隙密封流动激振、涡轮流体诱发振动。

（2）推力室是发动机的主体，是将燃料化学能**成发动机推力的核心组件，故障率在发动机中是第二高，主要故障为热机疲劳（TMF）、流-热-声-固多场耦合激励、喷管侧向力问题。

（3）自动器主要用于控制工质的压力、流量，其动作、调节过程涉及机械运动、流体瞬变、力热耦合等，其动力学问题主要涉及阀芯-流体耦合振荡、深度节流产生的汽蚀自激耦合振荡、开/闭瞬变过程水击效应、结构力热环境不适应等。

（4）管路系统是发动机介质传输与能量传递的重要通道，是发动机故障率较高的组件之一，对发动机的结构完整性产生重大影响。管路故障模式多样，如振动疲劳、冲击疲劳与微动疲劳等，且常发生在焊接结构、尺寸/缺口效应显著等位置。

（5）发动机结构动力学特性与动态响应非常复杂，发动机动特性关系到自身结构对激励的响应，是强振动最直接的受害者。同时，发动机是火箭最主要的激振源，发动机结构低频动力学是火箭总体姿态控制、POGO振动设计等的基础。此外，发动机结构中高频动力学对于星箭载荷环境预示等也至关重要。

总结与展望

结构动力学问题是液体火箭主发动机研制过程中的一个关键技术瓶颈，为研究并解决该问题，以对发动机结构动力学进行精细化设计，建议从以下几方面考虑：

1）“大多数SSME发动机的失效是由于设计不足，其根源是缺乏对动态载荷的充分了解”。发展动力学环境载荷快速感知、精确识别与综合载荷环境重构技术，以对发动机动态载荷进行准确预计。

2）开展典型材料基础力学性能及疲劳性能试验，建立复杂结构精准而强健的动力学模型，研究结构在多场耦合载荷作用下的复杂力学行为及科学描述，研究材料-结构-发动机一体化动强度评估与寿命评定技术。

3）应液体动力性能提升、可靠性增长、全任务剖面环境适应性改进、可重复使用液体火箭及智能发动机研制的需求，研究振动控制技术，进行疲劳与断裂、耐久性与损伤容限设计，开展基于耐久可靠性约束的多学科优化、减损控制等研究。

近几年论文

[1] 李斌. 液体火箭发动机系统稳定性[M]. 北京: 国防工业出版社, 2023.

[2] 李斌. 液体火箭主发动机技术现状与发展建议[J]. 前瞻科技, 2022, 1(01):75-85.

[3] Bin Li, Research on key technologies for reusable liquid rocket engines[J]. Aerospace China, 2022, 23(04):24-34.

[4] 李斌, 闫松, 杨宝锋. 大推力液体火箭发动机结构中的力学问题[J]. 力学进展, 2021, 51(4):831-864.

[5] 杜大华, 李斌. 液体火箭发动机结构动力学设计关键技术研究综述[J]. 航空学报, 2023. 44(10): 22-27554.

[6] Du Dahua, He Erming, Li Feng. Using the hierarchical Kriging model to optimize the structural dynamics of rocket engines[J]. Aerospace Science and Technology, 2020, 107:106248.

[7] Du Dahua, Huang Daoqiong. Intensive vibration mechanism analysis and vibration control technology for the combustion chamber of a liquid rocket engine [J]. Journal of Sound and Vibration, 2018, 437:53-67.

作者简介

李斌（1969-），工学博士，研究员，博士生导师。液体火箭发动机专家，国家“万人计划”科技创新领军人才，科技部创新人才推进计划重点领域创新团队负责人，某重大基础研究项目技术首席，液氧煤油发动机领域总师。曾获国家科学技术进步一等奖1项、省部级以上技术进步奖13项、中国青年五四奖章、十佳全国优秀科技工作者提名奖、航天基金会钱学森杰出贡献奖、第四届航空航天月桂奖等荣誉。出版著作3部，发表期刊论文50余篇，授权发明专利27项。

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涡轮电推进系统建模及控制规律设计

研究背景

随着航空发动机设计水平的提升，以涡喷、涡扇为主要构型的传统航空推进系统逐渐达到其性能上限。近年来，通过在飞机推进系统中引入电气部件组成电推进系统被认为是进一步提升飞机推进效率降低碳排放的有效手段，符合未来航空业绿色、高效的发展目标。涡轮电推进系统基于传统涡扇发动机发展而来，通过将电驱动涵道风扇耦合进推进系统中，获得更大的等效涵道比从而提升了推进效率。本文以涡轮电推进系统为研究对象，针对其总体性能建模及控制规律设计问题开展研究。

论文创新点

国内外针对涡轮电推进系统开展了一定研究，主要集中在循环参数分析、特征部件设计和推进系统性能对飞机性能的影响上。对涡轮电推进系统在非设计状态的工作特性及控制规律设计方法的研究还不深入。本文针对涡轮电推进系统开展研究，在涡扇发动机部件级仿真模型的基础上完善了电推进模块性能计算模型，构建了涡轮电推进系统的共同工作方程组。采用稳态逆算法研究了不同几何参数控制规律下，涵道风扇推力调节时推进系统的工作特性。通过在性能仿真模型中添加推力平衡方程，并结合差分进化算法构建涡轮电推进系统优化模型，形成了涡轮电推进系统控制规律优化设计方法，应用此方法计算了推进系统节流过程控制规律和性能参数。

总结与展望

通过本文的研究，可以得到以下结论：

1、本文建立的涡轮电推进系统仿真模型计算结果与国外发动机性能计算软件计算结果对比，最大偏差仅为0.22%，验证了本文建模方法的有效性。

2、当涵道风扇推力改变时，低压转子的负载会大幅度变化，可能导致涡扇发动机出现超温、超转和喘振现象。

3、在调节涵道风扇推力时，联合调节尾喷管喉部面积和涵道引射器面积，可以匹配涡扇发动机与涵道风扇的工作状态，有效避免发动机出现超温、超转和喘振现象。

4、基于本文提出的控制规律设计方法，设计出的节流过程控制规律可以保证涡轮电推进系统不超温，不超转，具有足够的喘振裕度，且在节流过程中还能进一步降低耗油率。该控制规律还具有连续、单调的特点有利于工程实现。

近几年论文

[1] Hao W, Wang Z, Zhang X, et al. Acceleration technique for global optimization of a variable cycle engine[J]. Aerospace Science and Technology, 2022, 129: 107792.

[2] Yao Y, Zhang X, Zhang M, et al. Modeling and Cycle Parameter Matching of a High-Speed Variable Cycle Turbofan-Ramjet Engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2022, 144(10): 101003.

[3] Zhang X, Wang Z, Xiao B, et al. A neural network learning-based global optimization approach for aero-engine transient control schedule[J]. Neurocomputing, 2022, 469: 180-188.

[4] 江天牧, 张晓博, 王占学. STOVL推进系统模式转换过程建模及分析[J]. 航空动力学报, 2023, 38(6): 1-12.

团队介绍

喷气推进理论与工程研究所（JPRL研究团队）是两项省部级科技创新团队。团队具有较高的学生培养水平，完整的培养体系，融洽的师生关系，被评为西工大首批科研育人示范团队。团队研究方向广阔，致力于普及喷气推进基础理论、分析动力系统实时新进展、推广喷气推进新成果，完美融合航空发动机总体性能、流体力学、结构力学和人工智能方向。

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综述

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