低燃速HTPB復(fù)合推進(jìn)劑過載情況下燃燒性能試驗(yàn)研究①

萬 東,何國(guó)強(qiáng),王占利,鄭 凱

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,西安 710072;2.中國(guó)航天科工集團(tuán)公司二院210所,西安 710065)

0 引言

當(dāng)內(nèi)孔燃燒的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)繞軸線高速旋轉(zhuǎn),或存在與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線垂直的過載,即存在垂直燃面的過載加速度時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作壓強(qiáng)和推力會(huì)出現(xiàn)升高等現(xiàn)象。分析發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道原理可知,當(dāng)燃燒表面過載加速度大于某一數(shù)值時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的燃速比靜止?fàn)顟B(tài)下有一定的提高,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作壓強(qiáng)升高。從20世紀(jì)50年代末開始,國(guó)外對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究[1-5]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者[6-8]從20世紀(jì)80年代也開始對(duì)此問題進(jìn)行了大量研究,并針對(duì)目前大量使用的含鋁丁羥復(fù)合推進(jìn)劑(HTPB)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究,得出了一些非常有價(jià)值的結(jié)論:(1)當(dāng)鋁粉含量相同時(shí),燃速加速度敏感性隨鋁粉粒度增大而增大;(2)當(dāng)鋁粉粒度相同時(shí),燃速的加速度敏感性隨鋁粉含量增大而增大:(3)燃速加速度敏感性隨加速度水平提高而增大;(4)燃速高的推進(jìn)劑加速度閥值高,如基礎(chǔ)燃速為17.4 mm/s的復(fù)合丁羥推進(jìn)劑,加速度閥值為50gn;基礎(chǔ)燃速為7mm/s的復(fù)合丁羥推進(jìn)劑,加速度閥值約為5gn(鋁粉含量為16%,粒度為16μm)。

隨著現(xiàn)代國(guó)防科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求越來越高,也就要求固體推進(jìn)劑應(yīng)具有良好性能,包括能量特性、燃燒特性、機(jī)械性能等。如為滿足某導(dǎo)彈飛行特性要求,其動(dòng)力裝置為1臺(tái)推力較大的單室雙推力發(fā)動(dòng)機(jī),為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)小推力長(zhǎng)時(shí)間的要求,在設(shè)計(jì)中二級(jí)裝藥選擇了低燃速HTPB復(fù)合推進(jìn)劑,燃速4mm/s(4 MPa),鋁粉含量為16%、粒度為16μm。該發(fā)動(dòng)機(jī)在參加導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)飛行試驗(yàn)時(shí),燃燒室工作壓強(qiáng)在很小的飛行橫向過載情況下出現(xiàn)了跳變現(xiàn)象。分析認(rèn)為,是由于發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)推進(jìn)劑的加速度效應(yīng),導(dǎo)致推進(jìn)劑在過載情況下燃速增加,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)升高。而對(duì)如此低燃速、高鋁粉含量的HTPB復(fù)合推進(jìn)劑,其加速度效應(yīng)研究很少見報(bào)道。

文中針對(duì)該類推進(jìn)劑,利用離心試驗(yàn)方法對(duì)其在過載情況下的燃燒性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

文中利用離心試驗(yàn)裝置,對(duì)上述低燃速HTPB復(fù)合推進(jìn)劑的加速度效應(yīng)進(jìn)行研究,離心試驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)、變頻電機(jī)、集流環(huán)、旋轉(zhuǎn)盤等組成,見圖1。為了在試驗(yàn)過程中得到穩(wěn)定的試驗(yàn)要求轉(zhuǎn)速,試驗(yàn)裝置中2號(hào)計(jì)算機(jī)通過控制變頻電機(jī)來控制試驗(yàn)轉(zhuǎn)速,并通過轉(zhuǎn)速測(cè)試儀來測(cè)量試驗(yàn)轉(zhuǎn)速,形成閉環(huán)控制。1號(hào)計(jì)算機(jī)用來發(fā)送點(diǎn)火控制指令和采集試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。集流環(huán)用來傳輸測(cè)試數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)有靜電卸放裝置,防止旋轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生靜電發(fā)生誤點(diǎn)火,確保試驗(yàn)安全。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of test device

1.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由燃燒室殼體、藥柱、前頂蓋、噴管和點(diǎn)火藥包等組成,見圖2。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),采用了對(duì)加速度反應(yīng)較敏感的錐管形裝藥。為了減小噴管喉徑變化帶來的影響,喉襯選用耐燒蝕的鎢滲銅材料。為了便于裝配,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和前頂蓋、噴管連接采用法蘭連接;試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)平均工作壓強(qiáng)為4 MPa和12 MPa。推進(jìn)劑為低燃速、高鋁粉含量的HTPB復(fù)合推進(jìn)劑,推進(jìn)劑鋁粉含量為15%,鋁粉粒度為16μm。推進(jìn)劑靜態(tài)燃速水下聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果:在4 MPa壓強(qiáng)下燃速4 mm/s;12 MPa壓強(qiáng)下燃速6mm/s。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)通過法蘭與試驗(yàn)裝置旋轉(zhuǎn)盤連接固定,壓強(qiáng)傳感器安裝在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)前頂蓋中心。

1.3 試驗(yàn)方法

為了對(duì)此類推進(jìn)劑在不同壓強(qiáng)和過載情況下的燃燒性能對(duì)比分析,試驗(yàn)分2組進(jìn)行:低壓4 MPa共進(jìn)行了8發(fā)試驗(yàn),試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)為1-01～1-08,高壓12 MPa共進(jìn)行了4發(fā),發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)2-01～2-04。試驗(yàn)離心加速度分別為0、5gn、8gn、15gn,具體分配見表1,試驗(yàn)溫度為20℃。試驗(yàn)時(shí),將發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)稱安裝,固定在旋轉(zhuǎn)盤上。高壓試驗(yàn)時(shí),為了保證旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定,旋轉(zhuǎn)盤對(duì)應(yīng)位置裝有配重。根據(jù)要求的加速度和試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)軸線至離心旋轉(zhuǎn)臺(tái)軸線的距離,利用式(1)計(jì)算出試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速。在試驗(yàn)過程中,為了得到平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn),在試驗(yàn)過程中先啟動(dòng)變頻電機(jī),對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到要求并穩(wěn)定30 s后,試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火工作,計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)開始測(cè)試試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)。

表1 離心試驗(yàn)加速度Table 1 Acceleration of centrifugal test

式中 G為試驗(yàn)過載加速度值,gn;R為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)軸線至離心旋轉(zhuǎn)臺(tái)軸線距離,m;n為試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速,r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

第1組(設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)為4MPa)試驗(yàn)測(cè)試壓強(qiáng)曲線見圖3。

圖3 不同過載加速度下的壓強(qiáng)曲線(pd=4MPa)Fig.3 Pressure curve at different acceleration(pd=4 MPa)

從圖3可看出,相同過載下2發(fā)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)間基本相同;不同過載下壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)的時(shí)間不同。分析認(rèn)為,隨著離心加速度的增加,正對(duì)旋轉(zhuǎn)軸燃面處(外側(cè))的推進(jìn)劑燃速增加,裝藥燃燒形腔向外偏置速度增加。從裝藥平行層燃燒規(guī)律來分析,壓強(qiáng)最大點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)外側(cè)主肉厚燃燒完成時(shí)間對(duì)應(yīng),這樣就可計(jì)算出在不同載荷下正對(duì)離心加速度位置處的燃速。為便于分析,計(jì)算時(shí)取平均燃速,結(jié)果見表2。

表2 不同過載加速度下燃速(pd=4MPa)Table 2 Burning rate at different acceleration(pd=4M Pa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對(duì)不同過載加速度下燃速值進(jìn)行線性擬合,見圖4。在0～15gn范圍內(nèi),該推進(jìn)劑燃速與過載加速度值近似呈線性關(guān)系式:

式中 G為過載加速度;r為過載加速度對(duì)應(yīng)的燃速。

圖4 燃速在不同過載加速度下擬合直線(pd=4M Pa)Fig.4 Linear fit of burning rate at different acceleration(pd=4M Pa)

第2組(設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)為12 MPa)試驗(yàn)測(cè)試壓強(qiáng)曲線見圖5。由于傳感器原因離心加速度為15gn的試驗(yàn)沒有采集到數(shù)據(jù),所以只對(duì)離心加速度為0、5gn、8gn的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖5的試驗(yàn)曲線可看出,隨著離心加速度增加,壓強(qiáng)最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間提前,分析結(jié)果見表3。從表3中的數(shù)據(jù)可看出,與4MPa情況一樣,在0～8gn范圍內(nèi),該推進(jìn)劑燃速隨過載加速度增加而增加。同時(shí),也可得到在相同離心加速度條件下,隨著試驗(yàn)發(fā)動(dòng)工作壓強(qiáng)增加,推進(jìn)劑燃速也增加,即加速度效應(yīng)越明顯。

圖5 不同過載加速度下的壓強(qiáng)曲線(pd=12MPa)Fig.5 Pressure curve at different accelerations(pd=12MPa)

表3 不同過載加速度下燃速(pd=12M Pa)Table 3 Burning rate at different accelerations(pd=12MPa)

從試驗(yàn)測(cè)試的壓強(qiáng)曲線還可看出,隨著離心加速度增加,試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間加長(zhǎng)。為了便于分析,取第1組試驗(yàn)的4條典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,見圖6。在同一工作壓強(qiáng)及不同過載情況下,試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間見表4,工作起始和結(jié)束點(diǎn)壓強(qiáng)取0.3 MPa。從表4中可看出,隨著離心加速度增加,試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間增加,即發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)壓強(qiáng)曲線拖尾段加長(zhǎng),說明隨著加速度增加,由于此類HTPB復(fù)合推進(jìn)劑的加速度效應(yīng),與加速度垂直的燃面處燃速也隨之增加,藥柱燃燒型腔相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)軸線偏離程度越大,從而導(dǎo)致余藥增多、壓強(qiáng)下降點(diǎn)提前,使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間增加。

圖6 在不同過載加速度下的壓強(qiáng)曲線(pd=4MPa)Fig.6 Curve o f pressure at different accelerations(pd=4MPa)

表4 不同過載加速度下的工作時(shí)間(pd=4MPa)Table 4 ta of testm otor at different accelerations(pd=4MPa)

3 結(jié)論

(1)與高燃速HTPB復(fù)合推進(jìn)劑相比,此類低燃速推進(jìn)劑對(duì)垂直燃面的過載加速度更為敏感。在加速度較低情況下,就出現(xiàn)加速度效應(yīng)。

(2)此類低燃速推進(jìn)劑的加速度閥值低于5gn。

(3)在同一工作壓強(qiáng)、過載加速度為0～15gn的條件下,推進(jìn)劑燃速與加速度成近似呈線性關(guān)系。

(4)在相同過載加速度情況下,隨著工作壓強(qiáng)增加,推進(jìn)劑加速度效應(yīng)越明顯。

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