固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火沖擊載荷試驗(yàn)*

袁 濤,夏 靜,陸旭峰

(南京理工大學(xué),南京 210094)

固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火沖擊載荷試驗(yàn)*

袁 濤,夏 靜,陸旭峰

(南京理工大學(xué),南京 210094)

為了提高固體火箭發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火安全可靠性,對發(fā)動機(jī)的沖擊載荷沿發(fā)動機(jī)軸線變化規(guī)律及壓力波在發(fā)動機(jī)環(huán)形通道內(nèi)傳播速度進(jìn)行研究。采用PVC塑料、單根單孔管裝藥和不同藥量裝填發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),通過傳感器測得實(shí)時(shí)壓力。試驗(yàn)結(jié)果得出點(diǎn)火藥量和最大壓強(qiáng)近似符合指數(shù)關(guān)系,環(huán)形通道內(nèi)壓力波的速度約為400 m/s,且不隨點(diǎn)火藥量產(chǎn)生變化。該研究結(jié)果為固體火箭發(fā)動機(jī)的安全點(diǎn)火提供了參考。

固體火箭發(fā)動機(jī);沖擊載荷;點(diǎn)火試驗(yàn)

0 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火是指從向點(diǎn)火裝置發(fā)出點(diǎn)火信號開始,直至燃燒室內(nèi)建立起穩(wěn)定工作壓強(qiáng)的全過程,這個(gè)過程十分復(fù)雜,并直接影響到發(fā)動機(jī)的工作性能[1]。一個(gè)性能良好的點(diǎn)火裝置必須確保在發(fā)動機(jī)的整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)都能可靠地點(diǎn)燃推進(jìn)劑裝藥,并在較短的時(shí)間內(nèi)使裝藥進(jìn)入穩(wěn)態(tài)燃燒階段,建立起正常的穩(wěn)態(tài)工作壓強(qiáng)。在固體火箭發(fā)動機(jī)的研制和生產(chǎn)過程中,需要對推進(jìn)劑和裝藥設(shè)計(jì)進(jìn)行原理性試驗(yàn)和地面靜止、飛行試驗(yàn),以檢測固體火箭發(fā)動機(jī)和推進(jìn)劑的性能指標(biāo)[2]。固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)不符合指標(biāo)要求是造成后期試驗(yàn)成果不準(zhǔn)確的主要問題之一。根據(jù)不同的固體火箭發(fā)動機(jī),應(yīng)通過不同條件的試驗(yàn)方法確定最佳的發(fā)動機(jī)主裝藥點(diǎn)燃工作參數(shù),才能保證發(fā)動機(jī)的正常工作。文中在發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、推進(jìn)劑設(shè)計(jì)一定的條件下,分別就不同點(diǎn)火藥量下塑料藥柱、固定點(diǎn)火藥量下真實(shí)藥柱進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)分析,測試了發(fā)動機(jī)點(diǎn)火壓強(qiáng)及壓力波沿發(fā)動機(jī)軸線傳播速度,從而找出發(fā)動機(jī)在滿足可靠點(diǎn)火條件下的沖擊載荷沿發(fā)動機(jī)軸線變化規(guī)律及壓力波在發(fā)動機(jī)環(huán)形通道內(nèi)傳播速度,為固體火箭發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火安全、可靠性提供了試驗(yàn)依據(jù)[3]。

1 點(diǎn)火沖擊載荷試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案

產(chǎn)生點(diǎn)火沖擊載荷的主要因素是大量高溫點(diǎn)火燃?xì)馑查g釋放。文中通過測試不同點(diǎn)火藥量下的沖擊載荷沿發(fā)動機(jī)軸線變化規(guī)律,對軸線上不同位置過載情況進(jìn)行分析,總結(jié)出不同點(diǎn)火狀態(tài)下發(fā)動機(jī)軸向不同位置的沖擊過載規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)某型號固體火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)如圖1所示。試驗(yàn)過程中,由于硬質(zhì)改性雙基推進(jìn)劑可能會產(chǎn)生壓強(qiáng),對最后的點(diǎn)火壓強(qiáng)有影響,因此,硬質(zhì)改性雙基推進(jìn)劑采用PVC塑料代替,為了模擬發(fā)動機(jī)工作時(shí)的真實(shí)狀態(tài),PVC塑料的尺寸與真實(shí)發(fā)動機(jī)裝藥尺寸一致。測量傳感器采用壓電式壓力傳感器,利用其動態(tài)特性良好的特點(diǎn),在點(diǎn)火藥燃燒時(shí)間內(nèi)測量壓力變化[4-5]。

圖1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在燃燒室上取4個(gè)顯示環(huán)形通道變化規(guī)律的位置,如圖2所示。在圖中1～4號點(diǎn)分別可以測點(diǎn)火具位置、環(huán)形通道入口、中間和末端的壓力,即壓力在環(huán)形通道內(nèi)的傳遞情況。

圖2 試驗(yàn)中傳感器安裝點(diǎn)

1)在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火頭類型、膜片厚度一定的條件下,自由裝填PVC塑料藥柱,在點(diǎn)火藥量為6 g、8 g、10 g、12 g、15 g情況下,分別進(jìn)行多次重復(fù)性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同點(diǎn)火藥量的試驗(yàn)

2)在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火頭類型、膜片厚度一定的條件下,自由裝填硬質(zhì)改性雙基推進(jìn)劑,在點(diǎn)火藥量為15 g情況下,進(jìn)行多次重復(fù)性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 裝填硬質(zhì)改性雙基推進(jìn)劑的試驗(yàn)

2 點(diǎn)火沖擊載荷試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共分為6種狀態(tài)共計(jì)30次試驗(yàn),由于試驗(yàn)數(shù)目較多,文中分別取出各種狀態(tài)下的典型壓力-時(shí)間曲線圖進(jìn)行分析,見圖3～圖8。

圖3 6 g點(diǎn)火藥、PVC塑料藥柱壓力-時(shí)間曲線

圖4 8 g點(diǎn)火藥、PVC塑料藥柱壓力-時(shí)間曲線

圖5 10 g點(diǎn)火藥、PVC塑料藥柱壓力-時(shí)間曲線

圖6 12 g點(diǎn)火藥、PVC塑料藥柱壓力-時(shí)間曲線

圖7 15 g點(diǎn)火藥、PVC塑料藥柱壓力-時(shí)間曲線

按照試驗(yàn)編號,分別對1～25號試驗(yàn)曲線進(jìn)行處理分析,得出不同點(diǎn)火藥量下的燃燒室頭部最大壓強(qiáng)均值及發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓力波速度均值,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。對26～30號試驗(yàn)曲線進(jìn)行處理分析,得出15 g點(diǎn)火藥、自由裝填硬質(zhì)改性雙基推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)環(huán)形通道內(nèi)壓力變化規(guī)律(壓力波速度=兩傳感器間距/沖擊載荷峰值到達(dá)兩傳感器的時(shí)間差)。

圖8 15 g點(diǎn)火藥、硬質(zhì)改性雙基藥柱壓力-時(shí)間曲線

編號燃燒室頭部最大壓強(qiáng)均值/MPa壓力波速度/(m/s)1～50.654076～101.1840011～151.3539616～202.1341221～253.88412

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同點(diǎn)火藥量下PVC塑料藥柱試驗(yàn)分析

根據(jù)不同點(diǎn)火藥量對應(yīng)發(fā)動機(jī)燃燒室頭部不同最大壓強(qiáng)均值,進(jìn)行曲線擬合。結(jié)果顯示:曲線在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火藥量為6～15 g范圍內(nèi),點(diǎn)火藥量和最大壓強(qiáng)近似符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。擬合曲線公式為:

y=0.213 3e0.193x

擬合結(jié)果如圖9所示。根據(jù)以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),發(fā)動機(jī)正常點(diǎn)火藥量不會少于6 g,否則會造成點(diǎn)火安全隱患;同時(shí)也不會多于15 g,否則會產(chǎn)生較高的點(diǎn)火壓力,出現(xiàn)點(diǎn)火壓力峰,不利于發(fā)動機(jī)工作。故此公式適用于已知點(diǎn)火藥量情況下求解發(fā)動機(jī)點(diǎn)火壓力。

通過對不同狀態(tài)下的25發(fā)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),可以看出:在點(diǎn)火藥量為6～15 g范圍內(nèi),隨著點(diǎn)火藥量的增加,燃燒室頭部壓力明顯升高,點(diǎn)火藥量與燃燒室頭部壓力近似滿足指數(shù)函數(shù),為理論計(jì)算點(diǎn)火最大壓強(qiáng)提供了試驗(yàn)依據(jù);燃燒室頭部壓力和環(huán)形通道入口處壓力在點(diǎn)火具破膜后基本相同,因此可以認(rèn)為燃燒室頭部和環(huán)形通道入口的壓力近似相等,

為點(diǎn)火壓力數(shù)值仿真提供了重要依據(jù);在環(huán)形通道內(nèi),壓力在前部降低得十分明顯,在末端壓力有略微降低;在環(huán)形通道前部和后部壓力傳遞所用時(shí)間近似相等,即發(fā)動機(jī)中沒有明顯的速度變化;環(huán)形通道內(nèi)壓力波的速度約為400 m/s,并不隨點(diǎn)火藥量變化而變化。

圖9 點(diǎn)火藥量-點(diǎn)火壓力擬合曲線

3.2 15 g點(diǎn)火藥量下硬質(zhì)改性雙基藥柱試驗(yàn)分析

在裝填硬質(zhì)改性雙基藥柱的情況下,燃燒室頭部和環(huán)形通道入口處壓力近似相等;環(huán)形通道入口處在點(diǎn)火具破膜后并未出現(xiàn)明顯的壓力突變。這一現(xiàn)象說明在真實(shí)點(diǎn)火過程中不存在明顯的壓力沖擊波。

4 結(jié)論

壓力試驗(yàn)結(jié)果證明,在點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)一定的情況下,點(diǎn)火藥量與燃燒室頭部最大壓力近似滿足指數(shù)關(guān)系;在點(diǎn)火藥量一定的情況下,隨著點(diǎn)火藥量的變化,發(fā)動機(jī)環(huán)形通道內(nèi)無明顯的壓力突變。所以在保證可靠點(diǎn)燃推進(jìn)劑的情況下應(yīng)盡量減少點(diǎn)火藥量。

[1] 武曉松, 陳軍, 王棟. 固體火箭發(fā)動機(jī)原理 [M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2011.

[2] 易磊, 寇軍強(qiáng), 李衛(wèi)鵬, 等. 戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2010, 30(6): 150-151.

[3] 王錚, 胡永強(qiáng). 固體火箭發(fā)動機(jī) [M]. 北京: 宇航出版社, 1993.

[4] 王曉明, 王玲. 電動機(jī)的DSP控制: TI公司DSP應(yīng)用 [M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[5] Texas Instruments. TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide-System and Peripherals [Z]. Literature Number: SPRU357C, 2006.

Experiment on Ignition Impact Load of Solid Rocket Motor

YUAN Tao,XIA Jing,LU Xufeng

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

During general design of solid rocket motor and propellant, experimental study on ignition impact under different state was carried out, which was based on free-loading engine of single root and single-hole charge with PVC plastic propellant and rigid composite modified double base propellant. Its aim is to find the variation rule of impact load along the engine axis in ignition process and propagation speed of the pressure wave in annular channel of the engine. The test results show that the relationship of igniter quantity and igniter pressure is approximately exponential; The pressure of the head of combustion chamber and the annular channel are approximately equal:the pressure wave speed in annular channel of engine does not vary remarkably with the amount of the igniter; Pressure jump generated by the igniter quantity is not occurred within the annular channel in real fire situation.

solid rocket motor; impact load; ignition test

2014-08-04

袁濤(1990-),男,安徽六安人,碩士研究生,研究方向:固體火箭發(fā)動機(jī)測試技術(shù)。

TJ71

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