雙脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)鋁膜隔板設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究①

石 瑞，王長(zhǎng)輝，萇艷楠

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191)

0 引言

脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)是在燃燒室內(nèi)裝填隔離開的多個(gè)推進(jìn)劑單元，而不分離燃燒室和尾噴管，用任意定時(shí)使各部分推進(jìn)劑分別進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生多次推力控制的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。把常規(guī)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)推力分配成多段，并控制各段推力的大小、持續(xù)時(shí)間和時(shí)間間隔，使得其具有射程遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)，以及彈道末段可進(jìn)行推力矢量控制的優(yōu)點(diǎn)［1－2］。

通過隔板把各脈沖裝藥串置隔開，實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火啟動(dòng)，是目前脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)使用最廣、成熟度最高的技術(shù)方案。隔板是脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，隔板把燃燒室內(nèi)多段藥柱隔離開來，實(shí)現(xiàn)分別點(diǎn)火燃燒。隔板技術(shù)主要包括“噴射棒”隔板、陶瓷隔板、鋁膜隔板、柔性隔板層等幾種形式［2］。Nishii等［3］研究了脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)“噴射棒”隔板的應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］介紹了柔性隔板層技術(shù)應(yīng)用在AGM-69A導(dǎo)彈的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)上。加拿大在陶瓷隔板脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了較多研究，加拿大國防科學(xué)研究中心［5］和Birstol宇航公司［6］研制了陶瓷隔板試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行了多次成功點(diǎn)火，設(shè)計(jì)的隔板滿足要求。德國完成了鋁膜隔板固體發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究，鋁膜隔板由鋼支撐的熱絕緣結(jié)構(gòu)和鋁膜隔板構(gòu)成。德國BC/P公司研制的120 mm口徑的雙脈發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一系列點(diǎn)火試驗(yàn)［7］。

文中針對(duì)固體火箭雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)要求，討論了鋁膜隔板及其組件的設(shè)計(jì)方法，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值分析及試驗(yàn)研究。

1 鋁膜隔板設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

隔板是脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)多次啟動(dòng)的關(guān)鍵部件，其作用是分隔發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的2個(gè)脈沖藥柱，其位置如圖1所示。

圖1 鋁膜隔板在發(fā)動(dòng)機(jī)中位置示意圖Fig.1 Aluminum clapboard position schematic diagram in the motor

一、二脈沖設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)均為7 MPa左右，鋁膜隔板及其支架右側(cè)為一脈沖的燃燒室，在一脈沖藥柱燃燒時(shí)，隔板能夠承受住燃燒室持續(xù)的壓力，并保證密封不漏氣，使之與左邊二脈沖藥柱隔絕;在一脈沖工作完成后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)拿}沖間隔，二脈沖藥柱點(diǎn)火，隔板在低于工作壓強(qiáng)時(shí)破裂，保證高溫燃?xì)饽苷Ａ鲃?dòng)噴出。因此，鋁膜隔板要具備以下功能［8］:

(1)承受一脈沖燃燒室壓強(qiáng)的載荷不破裂，且有效密封一脈沖燃?xì)?

(2)二脈沖點(diǎn)火后，在較低壓強(qiáng)下可破裂，保證二脈沖正常工作;

(3)破裂后盡量不產(chǎn)生碎片，以免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等結(jié)構(gòu)造成破壞。

1.2 隔板材料

純鋁中加入合金元素配制鋁合金，可改變其組織結(jié)構(gòu)與性能，適宜制造各種機(jī)器零件。變形鋁合金具備優(yōu)良的冷、熱加工工藝性能，經(jīng)過熱處理的鋁合金力學(xué)性能得到顯著提高［9］。硬鋁合金2A12力學(xué)性能高，機(jī)械加工性能好，廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，同時(shí)硬鋁合金2A12取材方便。所以，鋁膜的材料選擇硬鋁合金2A12。圖2是硬鋁合金2A12的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖［10］。

1.3 隔板及其組件設(shè)計(jì)

為了滿足2個(gè)脈沖工作的要求，隔板組件由鋁膜、支架和壓板組成。支架和壓板的材料用45碳鋼。在真正的發(fā)動(dòng)機(jī)中，所有的組件都會(huì)有熱防護(hù)層，支架的外面包覆有絕熱層，由于是包裹結(jié)構(gòu)，在高溫燃?xì)馔ㄟ^時(shí)，絕熱層能夠有效保護(hù)支架。但在冷流試驗(yàn)中，沒有高溫燃?xì)?。所以，省去熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。圖3是冷流試驗(yàn)隔板及其組件示意圖。

圖2 硬鋁合金2A12應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 σ-ε curve of aluminum alloy 2A12

裝配中刻痕面朝向一脈沖燃燒室。為了實(shí)現(xiàn)二脈沖低壓破裂，在鋁膜隔板中增加刻痕降低隔板的強(qiáng)度，使得二脈沖工作時(shí)，隔板在承壓情況下，薄弱部位的應(yīng)力集中，或者應(yīng)變過大，導(dǎo)致鋁膜破裂。但增加刻痕的同時(shí)，也降低了隔板在一脈沖工況下的承載能力。因此，需在隔板的后面支架上增加支撐，支撐的位置和隔板的刻痕處相重合。在一脈沖工作時(shí)，隔板和支架一起提供所需的承載能力。在支架的結(jié)構(gòu)中，隔板不需支撐的部分被掏空，為二脈沖工作時(shí)燃?xì)馔ㄟ^提供需要的通道。

圖3 鋁膜隔板組件示意圖Fig.3 Sketch of the aluminum clapboard assemble

通過設(shè)計(jì)了一系列的隔板，來研究鋁膜隔板破裂的規(guī)律。具體參數(shù)如表1。

2 試驗(yàn)裝置

如圖4所示，試驗(yàn)采用冷流雙脈沖裝置，一、二脈沖集氣室內(nèi)徑180 mm。試驗(yàn)工質(zhì)是氮?dú)狻Ｑb置由一、二脈沖集氣室和鋁膜隔板組件組成。一、二脈沖集氣室都有測(cè)壓口和進(jìn)氣口。通過調(diào)節(jié)集氣室中的壓強(qiáng)來進(jìn)行隔板密封、承壓以及破裂的試驗(yàn)研究。

表1 隔板尺寸Table 1 Size of the clapboards mm

圖4 試驗(yàn)雙脈沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of the dual-pulse test device

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

兩個(gè)脈沖壓強(qiáng)的升壓是極其短暫的，文獻(xiàn)［11］研究表明，動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析得到的結(jié)果相差很小，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果具有可信度。利用Ansys進(jìn)行穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析，根據(jù)二脈沖的承載情況，可把隔板作為單獨(dú)的模型進(jìn)行計(jì)算，與其他零件沒有接觸移動(dòng)，隔板與壓板的裝配面位移設(shè)置為零;而對(duì)于一脈沖，隔板后面必須有支架的支撐，接觸部分受力后會(huì)有摩擦、有移動(dòng)，是接觸問題分析，支撐架與集氣室的裝配面的位移設(shè)置為零。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 一脈沖承壓計(jì)算

文獻(xiàn)［12］給出了45#碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，彈性模量是216 GPa，泊松比0.3，強(qiáng)度極限約為800 MPa。隔板的材料是硬鋁合金2A12，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，泊松比0.33。文獻(xiàn)［13］表示對(duì)于塑性材料，按照第四強(qiáng)度理論校核。該理論認(rèn)為，引起材料屈服的主要因素是畸變能，且不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達(dá)到材料單向拉伸屈服的畸變能密度，材料就發(fā)生屈服。按此理論，材料的強(qiáng)度條件為

許用應(yīng)力與極限應(yīng)力的關(guān)系為

式中 n為安全因素;對(duì)于塑性材料，n一般取值為1.5 ～2.2，σb為極限應(yīng)力。

由于試驗(yàn)為冷流加壓試驗(yàn)，沒有高溫和轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)環(huán)境良好，所以此處的n取值為1.5。因此，支架的許用應(yīng)力為530 MPa，隔板的許用應(yīng)力為300 MPa。

一脈沖的工作壓強(qiáng)在7 MPa左右，有效厚度為2.5 mm的隔板C，在壓強(qiáng)8.5 MPa下的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 隔板C在一脈沖壓力為8.5 MPa下的應(yīng)力圖Fig.5 Stress of clapboard C under 8.5 MPa in pulse one

隔板C是最薄的隔板，當(dāng)一脈沖壓力為8.5 MPa時(shí)，鋁膜隔板的最大應(yīng)力287 MPa。支架的危險(xiǎn)部分是十字支架的中間連接部分以及十字支架與外圓連接處，此處大部分的應(yīng)力不超過400 MPa，最大的應(yīng)力值為514 MPa。從計(jì)算結(jié)果可看出，隔板和支架的應(yīng)力都在安全范圍之內(nèi)，能滿足一脈沖使用要求。

3.2.2 二脈沖破裂計(jì)算

雖然硬鋁合金為塑性材料，但按照脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，二脈沖時(shí)鋁膜隔板需要破裂，而不僅僅是屈服。由圖2可看出，在達(dá)到強(qiáng)度極限后，鋁合金2A12也沒有馬上斷裂。根據(jù)文獻(xiàn)［14］表1所列的常見斷裂準(zhǔn)則，二脈沖的計(jì)算用塑形準(zhǔn)則來判斷破裂問題，ε=0.028。

如圖6所示，隔板A在6 MPa壓強(qiáng)下，最大應(yīng)變出現(xiàn)在刻痕集中處，也就是整個(gè)隔板的中間。此時(shí)，應(yīng)變超過了0.028。隔板已開始破裂。所以，計(jì)算得出隔板A二脈沖下的破裂壓強(qiáng)約為6 MPa，見表2。

圖6 隔板A在6 MPa壓強(qiáng)下的應(yīng)變Fig.6 The strain of claoboard A under 6 MPa

表2 計(jì)算的破裂壓強(qiáng)Table 2 calculated pressure of broken

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

進(jìn)行了4個(gè)隔板的試驗(yàn)，尺寸如表1所示，隔板C試驗(yàn)件如圖7所示，其余類似。所有隔板都是先進(jìn)行一脈沖承壓試驗(yàn)，先將一脈沖集氣室壓強(qiáng)升到高于7 MPa，并保持1 min左右后泄壓;然后，給二脈沖集氣室加壓，直到隔板破裂為止。通過測(cè)量2個(gè)集氣室的壓強(qiáng)來確定密封是否完好，一脈沖時(shí)隔板能否承壓。

圖7 隔板C試驗(yàn)件Fig.7 Clapboard C

隔板C的一脈沖承壓試驗(yàn)的壓強(qiáng)曲線如圖8(a)所示。一脈沖時(shí)，壓強(qiáng)逐漸升高到7.6 MPa，然后保持到60 s，然后泄壓。在整個(gè)過程中，二脈沖集氣室的壓強(qiáng)保持大氣壓不變。從試驗(yàn)曲線可看出，隔板組件能夠承受住7 MPa的壓力，且密封良好。

隔板C二脈沖破裂試驗(yàn)的壓強(qiáng)曲線如圖8(b)所示。當(dāng)壓強(qiáng)升高到5.2 MPa時(shí)隔板破裂，二脈沖集氣室中的氣體沖入到一脈沖集氣室中，使得一脈沖集氣室的壓強(qiáng)曲線突然升高;然后，2個(gè)集氣室壓強(qiáng)在一脈沖進(jìn)氣口未封閉的情況下，共同下降到大氣壓。

破裂后的隔板如圖9所示，隔板像花瓣一樣炸裂，根據(jù)破裂情況的規(guī)則性，幾乎不會(huì)產(chǎn)生碎片，且在熱試的情況下，即便當(dāng)碎片產(chǎn)生時(shí)，噴管有硅橡膠等包覆的絕熱層保護(hù)，高溫燃?xì)饪裳杆偃诨X，從而提高推進(jìn)劑的能量，滿足隔板破裂后不影響噴管等結(jié)構(gòu)的要求。

圖8 一、二脈沖集氣室壓強(qiáng)曲線Fig.8 Chamber pressure of the first and second pulse

圖9 破裂試驗(yàn)后的鋁膜隔板C照片F(xiàn)ig.9 Photograph of breaking aluminum clapboard C

試驗(yàn)表明，對(duì)于隔板A、B、C，刻痕處隔板的厚度均為1.5 mm，隨著隔板整體的厚度的減小，二脈沖的破裂壓強(qiáng)也隨之減小。圖10顯示，隔板的破裂開口隨著隔板整體厚度減小而增大。對(duì)于隔板B、D，刻痕深度均為1.5 mm，隨著刻痕處隔板厚度的增加，二脈沖的破裂壓強(qiáng)急劇增加，相差0.5 mm的BD隔板的破裂壓強(qiáng)相差2 MPa之多?？梢?，隔板最薄弱處的厚度對(duì)隔板的二脈沖破裂壓強(qiáng)有著決定性的影響，見表3。

表3 不同隔板的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of different clapboards

圖10 試驗(yàn)后的隔板Fig.10 Clapboards after the test

5 結(jié)論

(1)由壓板、鋁膜和支架組成的隔板組件在脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)中，能保證一脈沖的承壓和二脈沖的破裂。

(2)此組件在一脈沖時(shí)能有效密封保證一脈沖正常工作，且能在二脈沖低于工作壓強(qiáng)下破裂，保證二脈沖的正常工作。

(3)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究都表明，在隔板刻痕集中處，即隔板中心處最先破裂。整個(gè)隔板呈花瓣一樣炸開，不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響。

(4)當(dāng)刻痕處隔板有效厚度相同時(shí)，二脈沖的破裂壓強(qiáng)隨著隔板整體厚度的增加而增加。0.5 mm的厚度會(huì)增加二脈沖的破裂壓強(qiáng)0.5 MPa左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，破裂后開口的大小隨厚度的增加而減小。

(5)當(dāng)刻痕的深度一樣時(shí)，二脈沖的破裂壓強(qiáng)隨著刻痕處隔板厚度的增加急劇增加?？毯厶?.5 mm的厚度差導(dǎo)致了破裂壓強(qiáng)2 MPa之多。所以，刻痕處的隔板厚度對(duì)于隔板的二脈沖破裂壓強(qiáng)起著決定性的作用。

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