modeFRONTIER 帮助团队满足多重结构约束，并显著减轻火箭重量

自 2000 年代初以来，巴西利亚大学的混合推进团队一直是混合火箭发动机和小型探空火箭开发与测试领域的先驱。通过采用基于多学科优化技术的系统设计方法，该团队开发了一种概念性的混合火箭发动机，为巴西航空航天研究所设计的可重复使用卫星 SARA 的再入机动系统提供了一种有价值的技术选择。

主要成果

1：简化混合推进剂发动机的设计工作

2：筛选出最佳设计方案，实现发动机轻量化

技术挑战

传统的固体和液体火箭推进系统通常被认为是减速发动机系统最方便的技术解决方案。随着固体燃料退移速率的改进，混合推进剂火箭发动机成为一种有效的替代方案。该团队分析了三种不同的推进设置，将石蜡作为固体燃料与冷气燃料相结合，以满足 SARA 再入程序的要求。最终设计必须同时满足与总质量限制相关的几何约束以及任务的性能指标：减速冲量应产生 235 至 250 m/s 的减速度，以及发动机的燃烧时长。

技术方案

团队考虑了影响混合发动机性能的关键参数：药柱构型、燃烧效率、氧化剂罐压力、喷嘴构型以及几何构型。使用 modeFRONTIER 专用工具进行的两步灵敏度分析，筛选出了与设计约束和目标具有显著依赖关系的变量。将这些关键要素汇集在一起，构建了一个能够保持混合推进系统简洁性的工作流程。该自动化框架驱动了对几何构型的搜索，为三种配置中的每一种实现了更高的质量减轻。

"由 modeFRONTIER 工作流程驱动的程序，帮助在优化过程中生成、评估和筛选设计替代方案，最终得到的发动机比先前研究的液体和固体发动机更轻。" —— Manuel Nascimento Dias Barcelos，混合推进团队负责人

成果与价值

modeFRONTIER 简化了基于液化燃料（固体石蜡）和两种不同气体燃料（H₂O₂ 和自增压 N₂O）的混合推进剂发动机的设计工作。研究中涉及的再入系统估计质量在 22 至 29 公斤之间，低于先前提出的液体双组元推进剂或固体发动机。

"本文讨论的优化过程可被视为混合火箭推进系统初步设计阶段的重要工具。" —— Manuel Nascimento Dias Barcelos 总结道。

巴西利亚大学混合推进团队

巴西利亚大学混合推进团队是巴西混合火箭研究的先驱。该研究早在 2000 年就随着 800N 混合推进发动机的开发而启动。目前，该团队正在多个研究方向上开展工作，例如：生物火箭燃料、陶瓷涂层喷嘴、自主飞行器、电力推进、弹道预测与优化、气动仿真以及多学科火箭设计优化。