一種自適應(yīng)噴管面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)*

周建軍

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 4710091）

0 引言

通過(guò)調(diào)節(jié)噴管喉道面積，可以使單室雙推力固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在較小的壓強(qiáng)比下，產(chǎn)生更大的推力比，提升固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。

文中介紹了一種噴管喉道面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可利用單室雙推力固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自身燃?xì)鈮簭?qiáng)，形成壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)噴管喉部面積，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上設(shè)計(jì)有喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由支撐殼體、單向閥、調(diào)節(jié)體、剪切銷(xiāo)釘及密封結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示;單向閥由閥體、閥錐、支撐蓋、壓力彈簧和密封結(jié)構(gòu)形成，如圖3所示。

支撐殼體、單向閥、調(diào)節(jié)體形成與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室隔離的氣室，氣室通過(guò)單向閥的開(kāi)、關(guān)實(shí)現(xiàn)與燃燒室的連通與關(guān)閉。

圖1 帶調(diào)節(jié)噴管的發(fā)動(dòng)機(jī)剖視圖

圖2 喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 單向閥結(jié)構(gòu)示意圖（單向閥開(kāi)啟）

1.2 工作原理及過(guò)程

單室雙推固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)彈道曲線分為一、二級(jí)平衡段和一、二級(jí)過(guò)渡段，喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將喉部面積調(diào)節(jié)點(diǎn)選取在一級(jí)與二級(jí)工作過(guò)渡段，如圖4所示。

圖4 典型雙推發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道曲線

工作過(guò)程如下:

1）在發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)工作過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的壓強(qiáng)P外大于氣室中的壓強(qiáng)P內(nèi)，單項(xiàng)閥在P外＞P內(nèi)的壓差下打開(kāi)，燃?xì)饨?jīng)過(guò)截流孔向氣室充氣，達(dá)到氣室內(nèi)外壓強(qiáng)平衡P內(nèi)=P外此時(shí)單向閥或在壓力彈簧作用下關(guān)閉，或由于壓強(qiáng)波動(dòng)打開(kāi)，處于開(kāi)或合狀態(tài);

2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)從一級(jí)向二級(jí)轉(zhuǎn)換，燃燒室的壓強(qiáng)P外迅速下降，氣室的氣體也會(huì)由截流孔向燃燒室排氣，但在截流孔的小孔截流作用下，氣室中的壓強(qiáng)P內(nèi)的下降速率小于燃燒室壓強(qiáng)P外速率，使氣室的壓強(qiáng)P內(nèi)稍大于燃燒室的壓強(qiáng)P外，形成內(nèi)外壓差，單項(xiàng)閥在內(nèi)外壓差及壓力彈簧的作用下壓緊在閥體上面上，隨著壓差增大，單向閥的密封效果越好，使氣室壓強(qiáng)P內(nèi)穩(wěn)定在高壓狀態(tài);

3）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)P外降低到一定值時(shí)，P內(nèi)＞P外壓差對(duì)調(diào)節(jié)體產(chǎn)生的軸向力大于剪切銷(xiāo)釘?shù)募羟辛?，剪切銷(xiāo)釘被剪斷，調(diào)節(jié)體向噴管喉部移動(dòng)，靠壓差固定在調(diào)節(jié)位置，完成噴管喉部面積的調(diào)節(jié)，如圖5所示。

2 工作過(guò)程仿真

從工作原理分析，要使喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正常工作，必須滿足兩個(gè)條件:

1）一是向氣室的充氣應(yīng)能保證氣室壓強(qiáng)達(dá)到較大壓強(qiáng)，最好能達(dá)到燃燒室的一級(jí)最大壓強(qiáng);

2）氣室排氣過(guò)程，截流孔的小孔截流效果需使氣室壓強(qiáng)下降速率小于燃燒室壓強(qiáng)下降速率，保證氣室壓強(qiáng)大于燃燒室壓強(qiáng)并形成壓差，使單項(xiàng)閥可靠關(guān)閉，氣室壓強(qiáng)穩(wěn)定在高壓狀態(tài)，并推動(dòng)喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)體向噴管喉部移動(dòng)，完成噴管喉部面積的調(diào)節(jié)。

圖5 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)過(guò)程

2.1 仿真模型

因氣室充氣及放氣過(guò)程與截流孔的大小有關(guān)，對(duì)仿真模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，仿真模型采用軸對(duì)稱模型，截流孔設(shè)置在軸線上，并簡(jiǎn)化氣室結(jié)構(gòu)，模擬氣室體積。仿真模型采用壓強(qiáng)入口邊界，絕熱壁面，壓強(qiáng)出口邊界及應(yīng)用軸對(duì)稱邊界，如圖6、圖7所示。

圖6 計(jì)算模型

圖7 計(jì)算網(wǎng)格模型

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的流場(chǎng)通過(guò)求解Navier-Stokes方程的方法進(jìn)行仿真，采用標(biāo)準(zhǔn)的二方程kepsilon模型計(jì)及湍流影響。并作如下假設(shè):

1）推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的燃?xì)饩鶠槔硐霘怏w，服從理想氣體狀態(tài)方程，且比熱不變;

2）推進(jìn)劑的燃燒都是瞬時(shí)完成、完全反應(yīng)的，在燃燒室內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，均不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，流場(chǎng)內(nèi)燃?xì)馕锢硇再|(zhì)均勻;

3）不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)凝相微粒對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響;不考慮燃?xì)馀c發(fā)動(dòng)機(jī)殼體之間的換熱，采用絕熱邊界。

2.2 仿真條件與仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)燃燒室壓強(qiáng)變化見(jiàn)圖8，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，壓強(qiáng)0.2 s上升到一級(jí)平衡壓強(qiáng)10 MPa，持續(xù)2 s后轉(zhuǎn)入一、二級(jí)過(guò)渡段，0.4 s后達(dá)到二級(jí)平衡壓強(qiáng)2 MPa。

截流孔的直徑選取 Ф4 mm、Ф3 mm、Ф2 mm、Ф1 mm，計(jì)算氣室壓強(qiáng)隨燃燒室壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖9，仿真結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

圖8 計(jì)算輸入燃燒室壓強(qiáng)

圖9 氣室壓強(qiáng)隨燃燒室壓強(qiáng)的變化

表1 氣室充氣達(dá)到平衡時(shí)間

表2 氣室放氣過(guò)程與燃燒室的壓差

2.3 仿真條件與仿真結(jié)果

1）截流孔可以有效使氣室和燃燒室形成壓差，方案原理可行;

2）隨著截流孔徑的減小，截流孔的小孔截流效果明顯增強(qiáng)，氣室壓強(qiáng)變化速率明顯滯后燃燒室壓強(qiáng)變化速率，氣室和燃燒室能在最短時(shí)間形成加壓差，且壓差增加;

3）從仿真結(jié)果分析，截流孔徑太大（如Ф4 mm）并不能在一、二級(jí)過(guò)渡段使氣室和燃燒室形成較大壓差，但隨著截流孔徑進(jìn)一步減小，有可能出現(xiàn)氣室氣壓在燃燒室工作建壓過(guò)程因充氣速率慢而達(dá)不到一級(jí)平衡段最大壓強(qiáng)而始終小于燃燒室壓強(qiáng)，但一、二級(jí)過(guò)渡下降段能形成明顯的壓強(qiáng)差，有利于閥體的運(yùn)動(dòng);

4）燃燒室壓強(qiáng)下降速率的提高，有利于氣室和燃燒室壓差的形成。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于單向閥的工作原理及其可靠性在工程上應(yīng)用成熟，本自適應(yīng)噴管喉部面積的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)能否工作，關(guān)鍵在于截流孔能否可靠使氣室和燃燒室形成壓差。因此設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)器，對(duì)截流孔能否可靠使氣室和燃燒室形成壓差進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 模擬試驗(yàn)器

模擬試驗(yàn)器采用高壓空氣氣瓶控制模擬燃燒室的壓強(qiáng)，測(cè)試模擬氣室的充氣及排氣過(guò)程，原理示意圖如圖10所示。

圖10 模擬試驗(yàn)器示意圖

3.2 試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程

工作過(guò)程采用高壓空氣罐給模擬燃燒室連續(xù)供氣，模擬燃燒室建壓過(guò)程，待模擬燃燒室中壓強(qiáng)穩(wěn)定平衡后，采用減小燃燒室供氣量方式模擬燃燒室壓強(qiáng)下降過(guò)程，同時(shí)記錄模擬燃燒室和模擬氣室的壓強(qiáng)變化。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

燃燒室壓強(qiáng)建壓過(guò)程為手動(dòng)調(diào)節(jié)，控制燃燒室壓強(qiáng)上升到10 MPa后穩(wěn)定，關(guān)閉高壓氣閥，模擬壓強(qiáng)下降段，燃燒室壓強(qiáng)從10 MPa下降到0.5 MPa時(shí)間為1.2 s，測(cè)試壓強(qiáng)曲線如圖11所示。

從試驗(yàn)曲線分析:

1）在模擬燃燒室壓強(qiáng)上升段，通過(guò)截流閥向氣室充氣，初期氣室壓強(qiáng)低于燃燒室壓強(qiáng)，但由于手動(dòng)調(diào)節(jié)后期燃燒室壓強(qiáng)上升速率較慢，氣室壓強(qiáng)與燃燒室壓強(qiáng)平衡后穩(wěn)定，兩者壓強(qiáng)上升速率基本相同;

圖11 測(cè)試壓強(qiáng)曲線

2）在模擬燃燒室壓強(qiáng)下降段，由于燃燒室壓強(qiáng)下降速率較快，氣室壓強(qiáng)下降速率明顯滯后于燃燒室壓強(qiáng)，氣室壓強(qiáng)與燃燒室壓強(qiáng)形成了明顯的壓差，最大壓差達(dá)到3.4 MPa;

3）從試驗(yàn)結(jié)果分析，在燃燒室壓強(qiáng)下降段，氣室與燃燒室能形成有效壓差，可以使單向閥可靠關(guān)閉，維持氣室壓強(qiáng)在高壓差狀態(tài)，能形成壓差力推動(dòng)調(diào)節(jié)體向噴管喉部移動(dòng)，完成噴管喉部面積的調(diào)節(jié);

4）由于氣室壓強(qiáng)與燃燒室形成的壓差達(dá)到了3.4 MPa，即使不設(shè)計(jì)關(guān)閉氣室的單向閥，單靠氣室和燃燒室之間自然形成的壓差力，也能使調(diào)節(jié)體向噴管喉部移動(dòng)，完成噴管喉部面積的調(diào)節(jié);

5）試驗(yàn)從機(jī)理上驗(yàn)證了利用發(fā)動(dòng)機(jī)自身燃?xì)鈮簭?qiáng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)噴管喉部面積的方案是可行的。

4 結(jié)論

1）通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，文中介紹的固體火箭喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理可行;

2）文中介紹的固體火箭喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程是利用單室雙推固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一、二級(jí)過(guò)渡段壓強(qiáng)變化，通過(guò)設(shè)計(jì)截流孔在調(diào)節(jié)體上形成壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，無(wú)需設(shè)計(jì)外置（或附加）驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)噴管喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn);

3）噴管喉部面積調(diào)節(jié)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程較為復(fù)雜，喉部面積調(diào)節(jié)過(guò)程與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道參數(shù)具有較強(qiáng)的耦合作用，如果兩者配合不好，會(huì)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能惡化的副作用，甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)［6］。文中介紹的固體火箭喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道的壓強(qiáng)參數(shù)直接引入到調(diào)節(jié)體的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程，與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道有一定的自適應(yīng)耦合效果，可以避免（或減輕）耦合的副作用;

4）文中介紹的固體火箭喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)雖已進(jìn)行了原理性冷流試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)性較好，為固體火箭喉部面積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供了一種新設(shè)計(jì)方案，可進(jìn)一步開(kāi)展熱試試驗(yàn)，進(jìn)行工程化應(yīng)用研究。

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