固沖發(fā)動機(jī)三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)氣流轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計①

何德勝，李廣武，楊 威，趙繼偉，鮑福廷

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072;2.中國航天科技集團(tuán)公司四院401所，西安 710025)

固沖發(fā)動機(jī)三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)氣流轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計①

何德勝1，李廣武2，楊 威2，趙繼偉2，鮑福廷1

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072;2.中國航天科技集團(tuán)公司四院401所，西安 710025)

根據(jù)固沖發(fā)動機(jī)三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)時序要求，設(shè)計一套氣流轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)來流的溢流和無溢流供氣轉(zhuǎn)換。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，氣缸工作壓強(qiáng)最低為0.5 MPa，最大工作壓強(qiáng)為0.8 MPa;對于進(jìn)氣模擬參數(shù)分別為流量4 kg/s，溫度550 K的試驗(yàn)工況，氣缸與排氣腔之間石棉墊絕熱密封效果良好，不需要對氣缸采取冷卻措施;而對于進(jìn)氣模擬參數(shù)分別為流量6 kg/s，溫度625 K的試驗(yàn)工況，需要對氣缸采取冷卻措施。氣流轉(zhuǎn)換裝置滿足試驗(yàn)要求，且結(jié)構(gòu)合理、簡便，操作簡單。

固沖發(fā)動機(jī);三工況;轉(zhuǎn)級試驗(yàn);氣流轉(zhuǎn)換裝置

0 引言

固沖發(fā)動機(jī)三工況試驗(yàn)包括助推發(fā)動機(jī)試驗(yàn)、進(jìn)氣道堵蓋打開試驗(yàn)、沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)3個工況［1-2］，三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)即為此三工況之間的轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。固沖發(fā)動機(jī)三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)是發(fā)動機(jī)研制過程中不可或缺的一環(huán)，可考核發(fā)動機(jī)各部件的工作協(xié)調(diào)性，考察轉(zhuǎn)級構(gòu)件和控制裝置的功能和工作可靠性，測定轉(zhuǎn)級過程工作參數(shù)。

直連式試驗(yàn)是將發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道直接與空氣管道相連，通過模擬來流的總溫和總壓，達(dá)到模擬發(fā)動機(jī)內(nèi)部流動和燃燒室工作的目的［3］。

本文采用固沖發(fā)動機(jī)直連式試驗(yàn)方法進(jìn)行三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)。按照試驗(yàn)時序要求，助推發(fā)動機(jī)先工作，之后進(jìn)氣道堵蓋打開，最后進(jìn)入沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)階段。在助推發(fā)動機(jī)工作階段，要求進(jìn)氣道堵蓋密閉，來流空氣不進(jìn)入固沖發(fā)動機(jī)補(bǔ)燃室，來流空氣通過氣流轉(zhuǎn)換裝置溢流［4］。在進(jìn)氣道堵蓋打開之后要求氣流轉(zhuǎn)換裝置切換至無溢流狀態(tài)，來流空氣全部進(jìn)入發(fā)動機(jī)補(bǔ)燃室，進(jìn)入沖壓發(fā)動機(jī)工作階段，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)級。

本文根據(jù)固沖發(fā)動機(jī)三工況試驗(yàn)程序要求，設(shè)計了一種氣流轉(zhuǎn)換裝置，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓艙內(nèi)氣流的溢流和無溢流供氣狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

1 實(shí)驗(yàn)方法

固沖發(fā)動機(jī)直聯(lián)式試驗(yàn)方法是選用氧氣/酒精加熱器直接加熱空氣生成模擬來流空氣，具有一定總溫、總壓的來流空氣進(jìn)入穩(wěn)壓艙整流，通過金屬軟管與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道連接，保證足夠平穩(wěn)的氣流進(jìn)入固沖發(fā)動機(jī)補(bǔ)燃室。固沖發(fā)動機(jī)固定安裝在測力臺架動架上，通過測力組件與承力墩相連，承力墩安裝在測力臺架的定架上，試驗(yàn)方法示意圖見圖1。

圖1 固沖發(fā)動機(jī)三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-operating conditionsconversion test of solid-fuel ramjet

考慮到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道帶有堵蓋，且進(jìn)行了耐壓單項(xiàng)試驗(yàn)，可忍受不大于0.6 MPa的壓強(qiáng)。為簡化試驗(yàn)裝置，在穩(wěn)壓艙兩進(jìn)氣口之下開一圓孔，用于連接氣流轉(zhuǎn)換裝置。氣流轉(zhuǎn)換裝置是實(shí)現(xiàn)來流進(jìn)氣和溢流的關(guān)鍵組件。

2 氣流轉(zhuǎn)換裝置工作原理及設(shè)計

2.1 工作原理

氣流轉(zhuǎn)換裝置是滿足供氣狀態(tài)轉(zhuǎn)換需求的機(jī)電裝置，安裝在穩(wěn)壓艙堵蓋上，主要包括驅(qū)動氣源、氣缸、二位五通電磁閥、排氣腔、密封蓋板等部件。采用氣缸作為加力機(jī)構(gòu)，通過氣缸內(nèi)活塞連桿的運(yùn)動控制密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋的開啟與閉合，從而實(shí)現(xiàn)來流的溢流與無溢流轉(zhuǎn)換;氣缸內(nèi)的活塞連桿正反向運(yùn)動采用高壓氮?dú)怛?qū)動，正反向的轉(zhuǎn)換通過二位五通電磁閥控制;氣缸通過轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管與二位五通電磁閥連接。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照試驗(yàn)程序，進(jìn)氣道堵蓋未打開之前，要求氣流轉(zhuǎn)換裝置溢流排氣。設(shè)計氣流轉(zhuǎn)換裝置，主要包括穩(wěn)壓艙堵蓋、密封蓋板、圓環(huán)密封墊、連接螺桿、排氣腔、氣缸、轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管、二位五通電磁閥等，見圖2所示。將連接螺桿一端與密封蓋板相連，連接螺桿另一端與氣缸內(nèi)活塞連桿相連;穩(wěn)壓艙堵蓋上已有進(jìn)氣孔，再加工一個溢流孔，安裝圓環(huán)密封墊。

采用高壓氮?dú)庾鳛轵?qū)動氣源。高壓氮?dú)馄砍隹诎惭b減壓閥，用金屬軟管將二位五通電磁閥進(jìn)氣端與減壓閥相連，預(yù)先設(shè)定減壓閥工作壓強(qiáng);通過固沖發(fā)動機(jī)三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)時序控制系統(tǒng)控制二位五通電磁閥的切換作動，實(shí)現(xiàn)來流的溢流和進(jìn)氣切換。

圖2 氣流轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of air conversion device

當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道堵蓋未打開，要求氣流轉(zhuǎn)換裝置溢流排氣。采用電磁閥控制轉(zhuǎn)換氣缸活塞連桿正向運(yùn)動，密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋處于開啟狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)來流的溢流排氣，見圖3(a)所示;當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道堵蓋打開，要求氣流轉(zhuǎn)換裝置溢流排氣關(guān)閉。采用電磁閥控制轉(zhuǎn)換氣缸活塞連桿反向運(yùn)動，密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋處于閉合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)來流的進(jìn)氣要求，見圖3(b)所示。

圖3 氣流轉(zhuǎn)換裝置動作示意圖Fig.3 Movement schematic diagram of air conversion device

氣流轉(zhuǎn)換裝置與穩(wěn)壓艙蓋之間的連接采用密封蓋板、聚四氟乙烯圓環(huán)密封墊壓實(shí)密封，蓋板直徑d1=130 mm，設(shè)計有密封刀口，見圖4。

來流的溢流排氣采用徑向?qū)ΨQ、平行于推力臺架的排氣方式，排氣產(chǎn)生的作用力可相互抵消，合力為零，不影響發(fā)動機(jī)推力測量精度。排氣腔進(jìn)氣口和排氣口垂直相貫加工，直徑相等，有利于來流氣體的及時排出。排氣腔結(jié)構(gòu)見圖5。

選用缸徑d2=100 mm、最大行程s=40 mm、最大耐壓0.8 MPa氣缸作為加力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣缸與密封蓋板之間用連接螺桿相連，要求密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋之間最大距離小于氣缸最大行程，設(shè)計為35 mm，可防止氣缸活塞連桿在回程狀態(tài)下，密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋之間無接觸，未能達(dá)到密封的目的。

為防止溢流溫度過高，影響氣缸的正常使用，在排氣腔與氣缸之間采用石棉墊隔熱連接;選用二位五通電磁閥，工作電壓為DC(27±3)V，工作壓強(qiáng)范圍為0.15～0.8 MPa;氣缸與電磁閥之間采用轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管連接;電磁閥通過轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管、減壓閥和壓強(qiáng)表與高壓氮?dú)馄窟B接。

在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道堵蓋未打開時序下(見圖3)，設(shè)密封蓋板承壓為p1(穩(wěn)壓艙內(nèi)壓強(qiáng))，密封蓋板截面積為A1，則密封蓋板承力F1=p1·A1;氣缸最大耐壓p2=0.8 MPa，氣缸活塞截面積A2，則氣缸活塞最大承力為F2=p2·A2。為了保證氣缸的安全使用，要求F1≤F2，即

進(jìn)氣道堵蓋最大耐壓為0.6 MPa，當(dāng)穩(wěn)壓艙內(nèi)壓強(qiáng)p1≤0.473 4 MPa時，進(jìn)氣道堵蓋和氣缸都可正常使用。因此，將p1=0.473 4 MPa定義為氣缸正常使用的最大臨界壓強(qiáng)值。表1為不同氣缸工作壓強(qiáng)下，進(jìn)氣道堵蓋和氣缸可正常工作時，所對應(yīng)的穩(wěn)壓艙內(nèi)最大允許壓強(qiáng)值。

圖4 密封蓋板Fig.4 Sealing cover

圖5 排氣腔結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure schematic diagram of exhaust cavity

按試驗(yàn)要求，密封蓋板打開與關(guān)閉間隔響應(yīng)時間要求不大于800 ms。

表1 壓強(qiáng)對應(yīng)表Table 1 Correspondence pressure of cylinder＆regulation cell MPa

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6為驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)拍照片。進(jìn)氣模擬參數(shù)為流量為4 kg/s，溫度為550 K，氣缸工作壓強(qiáng)給定0.8 MPa。

先對密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋的開啟與閉合間隔響應(yīng)時間進(jìn)行單項(xiàng)測試，共完成10次單項(xiàng)試驗(yàn)，測得平均間隔響應(yīng)時間為500 ms，其中最大間隔響應(yīng)時間為540 ms，滿足試驗(yàn)要求。

在穩(wěn)壓艙上端兩出口進(jìn)氣管道上安裝總壓傳感器。試驗(yàn)結(jié)果如下:進(jìn)氣道堵蓋未打開之前(密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋處于開啟狀態(tài))，穩(wěn)壓艙內(nèi)壓強(qiáng)為0.276 MPa。對照表1，此壓強(qiáng)值小于當(dāng)氣缸工作壓強(qiáng)為0.8 MPa時對應(yīng)的p1值，更小于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道堵蓋最大耐壓0.6 MPa，滿足試驗(yàn)要求。按照表1所示，可將氣缸工作壓強(qiáng)調(diào)低為0.5 MPa。

按照試驗(yàn)要求，助推發(fā)動機(jī)工作時間為3 s，轉(zhuǎn)級至進(jìn)氣道堵蓋打開時間為2 s。為考核氣流轉(zhuǎn)換裝置耐熱性能，延長了助推發(fā)動機(jī)工作之前的進(jìn)氣時間，時間為30 s。試驗(yàn)之后，氣缸殼體溫度變化不大，連接螺桿溫度增加，氣缸與排氣腔之間石棉墊絕熱密封效果良好。

將進(jìn)氣模擬參數(shù)調(diào)整為流量為6 kg/s，溫度為625 K，氣缸工作壓強(qiáng)給定0.8 MPa。試驗(yàn)結(jié)果如下:進(jìn)氣道堵蓋未打開之前(密封蓋板與穩(wěn)壓艙堵蓋處于開啟狀態(tài))，穩(wěn)壓艙內(nèi)壓強(qiáng)為0.452 7 MPa。對照表1，此壓強(qiáng)值小于當(dāng)氣缸工作壓強(qiáng)為0.8 MPa時對應(yīng)的p1值，也小于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道堵蓋最大耐壓0.6 MPa，滿足試驗(yàn)要求。助推發(fā)動機(jī)工作之前的進(jìn)氣時間為30 s。試驗(yàn)之后，氣缸殼體溫度略有增加，連接螺桿溫度較高，需要對氣缸進(jìn)行冷卻。

圖6 驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)拍照片F(xiàn)ig.6 Photos of verification test

4 結(jié)論

(1)根據(jù)固沖發(fā)動機(jī)三工況轉(zhuǎn)級試驗(yàn)要求，設(shè)計了氣流轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、安裝簡單、便于操作。

(2)進(jìn)行了2次驗(yàn)證試驗(yàn)。進(jìn)氣模擬參數(shù)分別為流量4 kg/s，溫度550 K;流量6 kg/s，溫度625 K。氣缸給定工作壓強(qiáng)均為0.8 MPa，進(jìn)氣道堵蓋未打開之前，實(shí)測穩(wěn)壓艙內(nèi)壓強(qiáng)分別為0.276 MPa和0.452 7 MPa，均小于氣缸正常使用的最大臨界壓強(qiáng)值和堵蓋最大耐壓0.6 MPa，滿足試驗(yàn)要求，氣缸工作壓強(qiáng)可調(diào)低為 0.5 MPa。

(3)對于進(jìn)氣模擬參數(shù)分別為流量4 kg/s，溫度550 K的試驗(yàn)工況，可將氣缸工作壓強(qiáng)調(diào)低為0.5 MPa;對于進(jìn)氣模擬參數(shù)分別為流量6 kg/s，溫度625 K的試驗(yàn)工況，氣缸工作壓強(qiáng)只能使用最大工作壓強(qiáng)0.8 MPa。

(4)對于進(jìn)氣模擬參數(shù)分別為流量4kg/s，溫度550 K的試驗(yàn)工況，氣缸與排氣腔之間石棉墊絕熱密封效果良好，不需要對氣缸采取冷卻措施;而對于進(jìn)氣模擬參數(shù)分別為流量6 kg/s，溫度625 K的試驗(yàn)工況，需要對氣缸采取冷卻措施。

［1］張煒，朱慧，方丁酉，等.沖壓發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.固體火箭技術(shù)，1998，21(3).

［2］葉定友.固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)的若干技術(shù)問題［J］.固體火箭技術(shù)，2007，30(6).

［3］鮑福廷，黃熙君，張振鵬，等.固體火箭沖壓組合發(fā)動機(jī)［M］.北京:中國宇航出版社，2006.

［4］Ronald S Fry.A century of ramjet propulsion technology evolution［J］.Journal of Propulsion and Power，2004，20(1).

Design of air conversion device for three-operating conditions conversion test of solid-fuel ramjet

HE De-sheng1，LI Guang-wu2，YANG Wei2，ZHAO Ji-wei2，BAO Fu-ting1
(1.College of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi＇an 710072，China;2.The 401th Research Institute of the Fourth Academy of CASC，Xi＇an 710025，China)

An air conversion device，which can control air conversion between overflow and non-overflow，has been designed according to the sequence request of solid-fuel ramjet three-operating conditions conversion test.According to the test results and the analysis，the working pressure of cylinder is between 0.5 MPa and 0.8 MPa.The cylinder need not be cooled under 4 kg/s flow rate and 550 K temperature due to because the good insulation and sealing effect of asbestos gasket.But it need be cooled under 6 kg/s flow rate and 625 K temperature.The air conversion device meets the requirements of test and pasesses the advantages of reasonable structure and simple operation.

solid-fuel ramjet;three-operating conditions;conversion test;air conversion device

V435

A

1006-2793(2012)03-0419-04

2011-12-22;

2012-03-14。

總裝預(yù)研項(xiàng)目(51328050302)。

何德勝(1974—)，男，博士生，主要從事固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)技術(shù)研究。

(編輯:呂耀輝)