空气涡轮火箭发动机(ATR)具有飞行包线宽广,比冲、比推较高,自启动性能好的优点,因而被视为未来临近空间飞行器的合适动力装置。为了能够快速、准确地模拟ATR发动机加速过程,从而改善ATR发动机加速性能、并实现其动态过程调控、控制系统设计整定,本文对ATR发动机加速过程建模仿真展开了研究,主要研究内容如下:首先建立了ATR发动机内部进气道、压气机、燃气发生器、涡轮、燃烧室、尾喷管等部件性能计算模型,模型中考虑了工质变比热过程,使用基于吉布斯最小自由能理论的化学平衡方法计算燃气发生器和燃烧室内燃烧产物,应用容积法搭建了ATR发动机加速模型,对模型应用的闭环PI控制器控制参数进行了分析和优化。结果表明,该模型能够无迭代地模拟ATR发动机加速过程,实现了快速准确地获取发动机加速性能;同时当各部件特性给定时,模型加速性能仅受PI控制器控制参数K_p和K_i影响。过大的K_p、K_i会使得加速初期发动机转速快速提高;但压气机工作点也会逼近喘振边界,令压气机更易喘振;转速超调量也会增大,转速的反复震荡使得发动机具有较差的稳定性,甚至危害发动机工作安全;燃烧室则具有较大的超温幅度,必须加强燃烧室热防护。若K_p、K_i过小,则发动机转速增加过于缓慢,导致加速时间过长。因此在压气机喘振裕度足够时,为了兼顾发动机加速时间和加速安全性,需选择合适的K_p和K_i以获得发动机最佳加速性能。其次,利用基于流动相似理论的指数外推方法对加速模型中压气机、涡轮的低转速工况特性进行补全,以此为基础建立了ATR发动机起动模型,模型中采用了开环-闭环混合控制计划来控制推进剂流量,在开环控制参数固定时,分析了闭环控制参数对发动机起动时间、超调量、超温幅度等指标的影响。结果表明,ATR发动机具有优秀的自起动能力,同时模型中应用的开环-闭环相结合推进剂流量控制计划能够控制ATR发动机从零转速安全、快速地加速到设计转速。对控制参数进行优化后,本模型能够在8秒内实现从零转速加速到设计转速,同时发动机转子几乎无超调、燃烧室内几乎无超温。最后,对ATR发动机内空气流路、富燃燃气流路、燃气流路分别进行分析,根据各流路内工质热力参数的变化特点,对各个部件性能计算方法进行简化,搭建了ATR发动机实时计算模型,将模型计算结果与非实时模型进行对比。结果表明,实时模型计算出的ATR发动机起动转速曲线具有较高的精度,但涡轮性能的计算精度较低,这是因为ATR发动机中涡轮膨胀比远高于压气机压比,导致涡轮进出口温差较大,富燃燃气热力参数变化也更加剧烈,因此涡轮计算中使用的平均比热法并不能准确计算涡轮工况;同时相比非实时模型,实时模型实现了计算速度的大幅提高,满足了实时性要求。