某超聲速飛行器保護(hù)罩用彈射器的高溫防護(hù)特性

劉世毅 韓言勛 劉媛媛

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著航天器任務(wù)需求的升級，超聲速飛行器成為近年來航空航天技術(shù)研究的熱點[1-2]。超聲速飛行會帶來劇烈的氣動加熱，而作為關(guān)鍵動作執(zhí)行部件的火工裝置也面臨著極高溫度的考驗，需對其采取有效的熱防護(hù)措施。因此，高溫防護(hù)性能研究也成為了新的研究課題[3-5]。

根據(jù)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的原理，熱防護(hù)可分為被動熱防護(hù)、半主動熱防護(hù)及主動防熱三類[6]。美國針對X-33等飛行器發(fā)展的金屬防熱蓋板防護(hù)系統(tǒng)[7]和歐洲為 Pre-x項目發(fā)展的陶瓷基防熱瓦系統(tǒng)都是新型的被動式熱防護(hù)系統(tǒng)[8-9]，在承受飛行載荷的同時具有很強(qiáng)的防、隔熱效果；近年發(fā)展的熱管技術(shù)，以及大多數(shù)衛(wèi)星、飛船和航天飛機(jī)等飛行器再入大氣層時進(jìn)行隔熱通常使用的燒蝕材料[10-12]，都是半主動式熱防護(hù)系統(tǒng)[13]；主動冷卻系統(tǒng)是通過冷卻劑帶走或阻隔氣動熱，控制進(jìn)入結(jié)構(gòu)的熱流，主要有膜冷卻、增強(qiáng)輻射冷卻與發(fā)汗式冷卻等多種方式，適用于空間相機(jī)等高精度溫度控制設(shè)備[14-16]。對于火工裝置來說，其產(chǎn)品體積小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠利用的空間有限，以上熱防護(hù)手段都很難直接實施，為了保證耐高溫性能需要針對結(jié)構(gòu)特點和使用需求綜合考慮。

本文所述彈射器用于某超聲速飛行器，安裝在飛行器頭部二級錐，用于固定并彈射紅外相機(jī)鏡頭保護(hù)罩。保護(hù)罩用彈射器安裝示意如圖1所示，保護(hù)罩固定在彈射器頭部，主裝藥藥盒和點火器位于彈射器尾部。在飛行過程中，飛行器頭部錐體溫度將達(dá)到 500℃以上。但目前星船、飛行器上配套的火工裝置使用溫度大多在60～90℃范圍內(nèi)，主裝藥的耐受溫度僅在100℃左右。因此現(xiàn)有彈射器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到超聲速飛行器的熱環(huán)境要求。選用耐受溫度高的火藥藥劑性能更為鈍感，在點火電流限定的條件下必將影響點火可靠性。彈射器與保護(hù)罩剛性連接，直接承受飛行器表面熱流，結(jié)構(gòu)升溫迅速。因此彈射器必須首先考慮對自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以保證藥盒及點火器部位的溫度滿足使用要求。

圖1 某型超聲速飛行器保護(hù)罩用彈射器安裝示意Fig.1 Position of ejector with the retainer of a supersonic aircraft

1 任務(wù)分析

飛行器工作時間為1 500s，表面駐點溫度可達(dá)600℃。在整個飛行過程中，彈射器應(yīng)保證安全不爆炸，且工作可靠。彈射器藥盒內(nèi)的主裝藥及點火器受環(huán)境溫度影響最大，且直接影響彈射器的動作執(zhí)行功能。為保證藥盒與點火器內(nèi)藥劑的點火可靠與安全，藥盒與點火器部位環(huán)境溫度需控制在100℃以下。分析飛行任務(wù)，彈射器的使用環(huán)境溫度雖高，但工作時間并不長，可以考慮在保證功能的前提下，通過改進(jìn)耐高溫結(jié)構(gòu)，增加熱防護(hù)措施，降低結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)速率，逐步接近并達(dá)到主裝藥和點火器的耐高溫要求。

為了研究熱防護(hù)特性，減少試驗驗證周期，首先通過數(shù)值模擬的方法，在現(xiàn)有彈射器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立熱傳導(dǎo)模型。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加熱防護(hù)措施等手段，分析比較保護(hù)罩安裝端面到火藥藥盒部位之間的熱能傳遞情況。通過理論計算指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終使藥盒與點火器處溫度滿足高溫環(huán)境的要求。通過數(shù)值模擬完成結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化后，對采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化的彈射器進(jìn)行高溫環(huán)境試驗驗證，獲取藥盒部位及點火器安裝部位的溫度情況，最終根據(jù)裝藥部位的溫度數(shù)據(jù)，確認(rèn)主裝藥劑及點火器的耐溫性能。借助理論計算、試驗驗證和綜合分析等多種手段，可以達(dá)到成本低、實施簡便、安全可靠的研究目的。

彈射器安裝在飛行器上的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的箭頭表示熱量傳遞的方式及方向，熱邊界設(shè)為恒溫 T=600℃，模擬彈體表面最高溫度。彈射器通過大螺帽安裝在飛行器上，通過連接螺釘與飛行器金屬保護(hù)罩連接。金屬保護(hù)罩與飛行器之間有隔熱層，熱量通過圖示彈射器左端熱邊界及連接螺釘向彈射器右端傳遞。

圖2 彈射器的安裝結(jié)構(gòu)及其傳熱界面Fig.2 Fixing structure and heat exchange interface of the ejector

金屬保護(hù)罩外表面直接與空氣接觸，氣流在超聲速環(huán)境下氣動加熱（對流換熱）強(qiáng)烈，保護(hù)罩金屬壁升溫迅速。保護(hù)罩外部熱邊界條件可視為定壁溫邊界，即整個金屬壁的溫度等于氣動加熱的流場溫度。熱量通過連接螺釘及彈射器左端面?zhèn)魅霃椛淦鲀?nèi)部，彈射器迅速升溫。同時熱量也會從金屬保護(hù)罩傳向隔熱層及飛行器，但隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù)低，比熱大，升溫較為緩慢，而且飛行器內(nèi)部有其他降溫措施，因此同一時刻彈射器的溫度高于隔熱層和飛行器的溫度。另外，由于彈射器直接傳導(dǎo)保護(hù)罩的氣動加熱，其表面溫度高于飛行器艙內(nèi)其它元器件的溫度，因此彈射器的外表面還將以熱輻射和自然對流的方式向外散熱。

2 數(shù)值計算

數(shù)值模擬將彈射器與保護(hù)罩的連接面設(shè)置為定壁溫邊界，按最高溫度 600℃加熱。初始溫度環(huán)境設(shè)置為27℃，工作時間為1 500s，計算藥盒表面最高溫度是否超過100℃。

對彈射器的三維非穩(wěn)態(tài)溫度場求解采用商業(yè)軟件 Fluent。為了保證網(wǎng)格的正交性，大部分區(qū)域采用多面體網(wǎng)格，藥盒采用六面體網(wǎng)格。除藥盒外的其它零件都視為同種材料。不考慮連接面的接觸熱阻，同一材料的相鄰零件視為同一計算域。對彈射器內(nèi)部空氣域也劃分了計算網(wǎng)格，從而計算這些區(qū)域的壁面輻射換熱和空氣導(dǎo)熱，但忽略空氣的自然對流。

如圖2所示，彈射器的熱傳遞方式包括結(jié)構(gòu)間的熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)向外界空氣的熱輻射和自然對流。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律[17-18]：

式中 q′為熱流密度；k為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；x為熱傳導(dǎo)距離；“–”表示熱量流向溫度降低方向。輻射傳熱利用斯蒂芬－玻爾茲曼方程描述：

式中 q為熱流率；ε為輻射率；σ為斯蒂芬–玻爾茲曼常數(shù)，約為 5.67×10–8W/（m2·K4）；A1為輻射面1的面積；F12為由輻射面1到輻射面2（即金屬殼壁到空氣域）的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的熱力學(xué)溫度；T2為輻射面2的熱力學(xué)溫度。

熱對流利用牛頓冷卻方程描述：

式中 h為對流換熱系數(shù)；TS為固體表面溫度；TB為周圍流體溫度。

模型選取了45號鋼、18Cr10Ni鎳鉻鋼、TC4鈦合金、TC11鈦合金四種不同結(jié)構(gòu)材料，通過計算確認(rèn)各種材料是否能夠滿足藥盒的溫度使用要求。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab. 1 Parameters of structure materials

為了減小彈射器內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)之間的傳熱，采取了內(nèi)部零件不接觸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，通過間隙隔離的方式降低熱量傳遞效率。因此設(shè)置了內(nèi)部零件接觸模型與內(nèi)部零件不接觸的改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型，通過計算比較結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果。

通過計算獲得四種結(jié)構(gòu)材料、兩種結(jié)構(gòu)模型下的藥盒表面溫度變化情況，如圖3所示。

圖3 不同材料及結(jié)構(gòu)藥盒處溫度–時間變化曲線Fig.3 Temperature vs time of cartridge in different materials and structures

計算結(jié)果表明：

1）45號鋼的導(dǎo)熱率較高，藥盒處溫度無法滿足使用要求。18Cr10Ni的導(dǎo)熱率次之，藥盒處溫度基本滿足使用要求。

2）TC4與TC11具有較好的低導(dǎo)熱率、高強(qiáng)度性能，能夠滿足藥盒處使用要求，適合用于彈射器主要承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

3）隨著時間變化，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)升溫速率低于原結(jié)構(gòu)升溫速率，因此在熱傳導(dǎo)界面結(jié)構(gòu)中適當(dāng)增加空氣間隙、增加隔熱材料可以起到較好的延緩升溫效果。

計算結(jié)果還顯示，進(jìn)一步降低熱傳導(dǎo)效率可以在外筒壁包覆相變材料用于吸收熱量，并在最外部包覆隔熱材料可以防止熱量向外界散失，避免影響外部設(shè)備。由于計算模型是在實際物理模型的基礎(chǔ)上適當(dāng)簡化得到，各種材料的熱物理性能參數(shù)與實際情況存在偏差，因此計算結(jié)果的準(zhǔn)確性需要通過熱環(huán)境試驗驗證。

3 試驗驗證

根據(jù)計算結(jié)果，彈射器試驗件選用常用材料TC4作為主要承力材料，并在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中設(shè)置間隙以降低熱傳導(dǎo)效率。試驗?zāi)M彈射器在飛行器上的安裝情況，并將彈射器安裝面加熱到規(guī)定溫度。熱傳導(dǎo)試驗時彈射器不裝主裝藥，藥盒內(nèi)裝入與裝藥同尺寸、等熱容的安全材料。熱傳導(dǎo)試驗利用高溫加熱爐，通過60kW可控硅電源對彈射器安裝面持續(xù)加熱，模擬保護(hù)罩向彈射器的傳熱過程。利用溫度傳感器測試熱源、藥盒等部位的溫度變化情況，利用16通道溫度采集設(shè)備記錄溫度隨時間的變化數(shù)據(jù)。通過不同工況的試驗，比較了加熱溫度、不同包覆材料和環(huán)境溫度變化對藥盒等部位溫度的影響規(guī)律。

藥盒部位試驗測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比情況見圖4。試驗環(huán)境溫度以600℃恒溫源考核，在初始階段實測溫度略高于數(shù)值模擬的溫度，計算過程考慮了迅速加熱過程。在1 500s時，數(shù)值模擬的結(jié)果為76.8℃，而試驗實測結(jié)果為78.0℃，說明數(shù)值模擬具有很好的符合性。

圖4 試驗測試和數(shù)值計算藥盒溫度–時間變化曲線Fig.4 Temperature vs time of cartridge in experiment and calculation

彈射器安裝在飛行器內(nèi)部，受到飛行器內(nèi)部環(huán)境溫度的影響，但現(xiàn)階段飛行器內(nèi)部環(huán)境溫度無法獲得?？紤]兩種極限情況，假設(shè)內(nèi)部環(huán)境溫度高于彈射器溫度，內(nèi)部環(huán)境將向彈射器輻射傳遞熱量；內(nèi)部環(huán)境溫度低于彈射器溫度，彈射器將向內(nèi)部環(huán)境散失熱量。因此在試驗中設(shè)置兩種環(huán)境工況：開放環(huán)境為空氣環(huán)境，試驗過程彈射器直接向空氣散熱；封閉環(huán)境為高溫加熱爐腔內(nèi)環(huán)境，由于爐腔內(nèi)設(shè)有隔熱層，加熱過程熱量散失很少，爐腔內(nèi)溫度迅速上升。在開放與封閉環(huán)境條件下，藥盒溫度隨時間變化如圖5所示。在初始的800s內(nèi)，環(huán)境溫度對測點溫度影響較小，而隨著時間的增加，影響越來越明顯。在1 500s時，封閉環(huán)境的測點溫度明顯升高。但在1 500s內(nèi)開放與封閉環(huán)境下藥盒溫度仍能夠滿足100℃的使用要求。

為了驗證彈射器利用相變材料的吸熱效果，選取一種氣凝膠相變吸熱材料包裹在彈射器殼體外部進(jìn)行熱傳導(dǎo)試驗。在相同的熱源溫度和環(huán)境條件下，對包覆和不包覆相變材料的試驗件進(jìn)行了測溫比較，如圖6所示。從圖中可看出，在開始的500s內(nèi)，兩種工況的溫度基本保持不變，500s后不包覆的結(jié)構(gòu)件藥盒升溫較快，在1 500s時已經(jīng)到達(dá)了78.5℃；而包覆的彈射器藥盒溫度上升緩慢，在1 500s時包覆試驗件藥盒測點溫度為49.6℃，與不包覆試驗件相差28.9℃。這說明相變材料在升溫過程發(fā)生吸熱反應(yīng)，使彈射器內(nèi)部溫度有效降低。

圖5 開放與封閉環(huán)境條件藥盒溫度–時間變化曲線Fig.5 Temperature vs time of cartridge in open and closed environment

圖6 包覆與不包覆工況藥盒溫度–時間變化 Fig.6 Temperature vs time of cartridge with wrapped and unwrapped structure

在600℃熱源條件下，不同工況、不同試驗件的熱傳導(dǎo)試驗均不少于3次，證明試驗結(jié)果重復(fù)性良好，數(shù)據(jù)可信。在1 500s時，藥盒、點火器等測點溫度如表2所列（首次試驗結(jié)果）。在開放環(huán)境中，彈射器向外部散熱，藥盒處溫度能夠保證低于80℃，可以滿足使用需求，且具有一定的安全裕度；在封閉條件下，熱能無法及時散出，藥盒溫度將保持在88℃左右，也能夠滿足使用要求。相變吸熱包覆材料在彈射器傳熱過程中可以吸收熱量，大大降低藥盒等部位的溫度，是一種有效的熱防護(hù)措施。

表2 不同試驗狀態(tài)的試驗結(jié)果Tab.2 Experiment results of different states

4 結(jié)束語

對彈射器采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)防熱、隔熱設(shè)計，可以降低熱量傳遞效率、增加吸熱與散熱，取得很好的隔熱效果。從隔熱角度解決火工裝置耐高溫問題降低了藥劑選用的研制風(fēng)險，提高了產(chǎn)品的可靠性安全性，對產(chǎn)品的工程應(yīng)用具有實際參考意義。

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