非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素分析*

唐金蘭，胡 博，李進(jìn)賢，馮喜平

(固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引言

隨著導(dǎo)彈防御技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)性和突防能力是各國(guó)十分關(guān)注的問(wèn)題之一。為了提高導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)性和突防能力，一般要求導(dǎo)彈具有飛行姿態(tài)、攻角、速度等多參數(shù)可調(diào)功能，而固體火箭姿軌控技術(shù)很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)式通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬髁縼?lái)調(diào)節(jié)推力，以完成導(dǎo)彈的姿軌控制。目前，燃?xì)饬髁靠刂谱钣行У姆椒ㄊ抢脵C(jī)械調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管喉面積來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬髁靠刂?，達(dá)到推力大小調(diào)節(jié)的目的。

文中主要是對(duì)非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的喉部型面與喉部過(guò)渡型面、喉栓直徑、喉栓型面、非同軸角度等因素對(duì)推力調(diào)節(jié)性能的影響加以分析，研究結(jié)果對(duì)后續(xù)的非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的實(shí)驗(yàn)器設(shè)

1 推力調(diào)節(jié)噴管的工作原理

非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)具有的特點(diǎn)包括:

1)較大的推力調(diào)節(jié)范圍，調(diào)節(jié)比可達(dá)2～10;

2)快速的推力調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，通常響應(yīng)時(shí)間為0.1 ～ 0.01s;

3)采用獨(dú)立的小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，在需要時(shí)可按要求點(diǎn)火并調(diào)節(jié)推力大小。

喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的工作原理如圖1所示，非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庾塑壙卦砣鐖D2所示。

由圖1可見(jiàn)，非同軸式推力調(diào)節(jié)噴管通過(guò)改變喉栓在噴管軸線(xiàn)上的位置，帶來(lái)等效喉部面積的變化，達(dá)到單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)的目的。

由圖2可見(jiàn)，通過(guò)安裝于彈體周?chē)?個(gè)位置上推力大小可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的直接配合，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的的姿軌控制功能。例如，安裝于彈體周?chē)?參見(jiàn)圖2)的4臺(tái)非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的2號(hào)噴管同時(shí)調(diào)節(jié)至大推力，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的翻滾;而三號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的1號(hào)噴管與二、四號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的2、3噴管調(diào)節(jié)至大推力，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的偏航等。

圖2 燃?xì)庾塑壙刂圃?/p>

2 推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素分析

對(duì)于推力可調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要關(guān)心的是發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的推力調(diào)節(jié)范圍及影響推力調(diào)節(jié)范圍的因素。發(fā)動(dòng)機(jī)推力的計(jì)算式:

對(duì)于喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)，因喉栓的移動(dòng)改變了噴管的等效喉部面積，從而改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室工作壓強(qiáng)、燃?xì)赓|(zhì)量流率、噴氣速度等參數(shù)，進(jìn)而改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。因此，所有影響噴管等效喉部面積的因素均影響喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的性能。文中以非定?？蓧嚎s時(shí)均化 N-S方程、RNG k－ε湍流模型為基礎(chǔ)，圖1所示的喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管為研究對(duì)象，針對(duì)不同的喉栓調(diào)節(jié)位置，利用式(1)，對(duì)喉栓型面、喉栓直徑、噴管喉部與收斂段的過(guò)渡型面、非同軸角度等因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響展開(kāi)討論，且在討論中認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃?xì)鉃槔硐霘怏w，在喉栓調(diào)節(jié)過(guò)程中推力大小隨喉栓的位置變化是連續(xù)變化的，推力的最大值與最小值在喉栓位置的兩個(gè)極值出現(xiàn)。

2.1 等效喉部面積對(duì)推力可調(diào)性能的影響

其中喉栓式推力可調(diào)噴管等效喉部面積計(jì)算如圖3所示。

圖3 等效喉部面積的計(jì)算

如圖3(a)所示，喉栓式可調(diào)噴管的上壁面為噴管(包括收斂段、收斂段與喉部上游過(guò)渡段、喉部、擴(kuò)張段)，下壁面為喉栓(喉栓半徑為 b)，對(duì)于一定的喉栓調(diào)節(jié)位置，直線(xiàn)段AB繞x軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的扇環(huán)形錐面即為喉栓式可調(diào)噴管的等效喉部面積ST(其中直線(xiàn)段AB為喉栓所在調(diào)節(jié)位置時(shí)，流體通過(guò)喉部所形成的流管的截面在垂直于喉面的平面上的投影，C、O分別為延長(zhǎng)AB所得到的與y軸和x軸的交點(diǎn)，此時(shí)A、B兩點(diǎn)的位置分別在喉部和喉栓上參見(jiàn)圖3(b))，ST由下式計(jì)算:

文中對(duì)圖4所示的不同喉栓型面(單位(mm))、在不同喉栓行程(對(duì)于不同的喉栓型面，均采取喉栓頂端距離噴管幾何喉部截面2mm處沿軸線(xiàn)進(jìn)入噴管喉部的運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為喉栓行程)、不同的噴管喉部與收斂段過(guò)渡型面的噴管等效喉部面積進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 文中所采用不同喉栓型面示意圖

圖5 不同喉栓型面、收斂段與喉部直線(xiàn)(y=－0.27x+4.75)過(guò)渡的噴管等效喉部面積隨喉栓行程的變化曲線(xiàn)

圖6 不同喉栓型面、收斂段與喉部曲線(xiàn)(y=e(－x)/4+4.5)過(guò)渡的噴管等效喉部面積隨喉栓行程的變化曲線(xiàn)

由圖5、圖6可見(jiàn)喉栓行程與等效喉部面積的變化關(guān)系，當(dāng)收斂段與喉部采用直線(xiàn)型過(guò)渡時(shí)，不同喉栓型面的噴管等效喉面積的變化均趨于線(xiàn)性化，有利于喉栓運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)控制(參見(jiàn)圖5)。因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)器設(shè)計(jì)中，建議收斂段與喉部采用直線(xiàn)段過(guò)渡。

不同喉栓型面、收斂段與喉部直線(xiàn)型過(guò)渡時(shí)推力與喉栓行程(即喉栓調(diào)節(jié)位置)的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同喉栓型面、收斂段與喉部直線(xiàn)型過(guò)渡時(shí)推力隨喉栓行程變化的關(guān)系

由圖7可見(jiàn)，橢球型和拋物體型喉栓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的調(diào)節(jié)規(guī)律基本一致，而錐形喉栓對(duì)推力的調(diào)節(jié)速度更快、更趨于線(xiàn)性，便于控制。

通過(guò)前面的分析計(jì)算認(rèn)為，喉栓型面采用直錐體型、收斂段與喉部直線(xiàn)型過(guò)渡的推力可調(diào)噴管具有調(diào)節(jié)速度快、線(xiàn)性好、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 進(jìn)氣角度對(duì)推力可調(diào)噴管性能的影響

對(duì)于直錐體型喉栓、收斂段與喉部直線(xiàn)型過(guò)渡的推力可調(diào)噴管，在喉栓直徑一定的情況下，針對(duì)3個(gè)喉栓調(diào)節(jié)位置(參見(jiàn)圖3(a))，討論了非同軸進(jìn)氣角度對(duì)推力可調(diào)噴管性能的影響。典型的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 直錐體型喉栓、收斂段與喉部直線(xiàn)型過(guò)渡的推力可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨不同進(jìn)氣角度的變化

由圖8可見(jiàn)，不同的進(jìn)氣角度(即非同軸角度)幾乎對(duì)推力調(diào)節(jié)沒(méi)有影響，因此，進(jìn)氣角度不是優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)因素。

2.3 喉栓直徑對(duì)推力可調(diào)噴管性能的影響

對(duì)于直錐體型喉栓、收斂段與喉部直線(xiàn)型過(guò)渡的推力可調(diào)噴管，在進(jìn)氣角度一定(60°)的情況下，討論了喉栓半徑對(duì)推力可調(diào)噴管性能的影響。典型的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同喉栓半徑下的推力調(diào)節(jié)對(duì)比

喉栓半徑的變化對(duì)推力調(diào)節(jié)的影響較為明顯，但是壓強(qiáng)變化更加顯著，基于實(shí)際情況考慮，能夠承受最大壓強(qiáng)的情況下，選取喉栓半徑大的喉栓更佳。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素分析，可以得到以下結(jié)論:

1)不同的喉栓型面會(huì)帶來(lái)推力調(diào)節(jié)規(guī)律的變化，而收斂段與喉部直線(xiàn)型過(guò)渡、喉栓型面為錐體型時(shí)，推力調(diào)節(jié)規(guī)律趨于線(xiàn)性，有利于調(diào)節(jié)控制。

2)進(jìn)氣角度對(duì)于非同軸喉栓式調(diào)節(jié)噴管的推力調(diào)節(jié)性能影響很小，故設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)總體的實(shí)際安裝需求設(shè)計(jì)進(jìn)氣角度，而不必考慮調(diào)節(jié)性能的改變。

3)在噴管幾何喉徑一定的情況下，喉栓的直徑在滿(mǎn)足推力調(diào)節(jié)比、燃燒室最大工作壓強(qiáng)等要求下取最合適的尺寸。

總之，通過(guò)對(duì)非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素的數(shù)值模擬分析，得到了影響噴管調(diào)節(jié)性能的主要因素，為之后的實(shí)驗(yàn)器設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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