燃?xì)舛鏌g地面模擬實驗設(shè)計與計算

鄭興宇

燃?xì)舛嬉话惆惭b在發(fā)動機(jī)噴管的后面，通過舵面的作動使得羽流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生側(cè)向力來達(dá)到發(fā)動機(jī)推力矢量控制的目的。但燃?xì)舛嬖诎l(fā)動機(jī)工作時，長時間暴露在高溫高速燃?xì)饬髦?，工作環(huán)境十分惡劣，不僅要承受很大的熱負(fù)載，而且還要和燃?xì)獍l(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)，造成舵面的燒蝕，如果燃?xì)饬髦泻心囝w粒，舵面還要經(jīng)受機(jī)械沖蝕的考驗。

本文設(shè)計實驗首先針對指定燃?xì)舛骈_展舵面溫度場分布、內(nèi)部溫度和熱應(yīng)力分布、體積燒蝕等數(shù)值計算，再對燃?xì)舛鏌g進(jìn)行實驗?zāi)M。根據(jù)計算結(jié)果與實驗結(jié)果的綜合分析，對燃?xì)舛鏌g情況進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評估，并對燃?xì)舛娴臒峤Y(jié)構(gòu)防護(hù)提出改進(jìn)意見。

1 燒蝕試驗發(fā)動機(jī)初步設(shè)計

燒蝕試驗發(fā)動機(jī)設(shè)計的依據(jù)主要是對發(fā)動機(jī)出口截面的燃?xì)鈪?shù)提出了要求，現(xiàn)將具體參數(shù)假設(shè)見表1所示。

表1 出口截面參數(shù)要求

2 燒蝕試驗發(fā)動機(jī)技術(shù)方案

2.1 燒蝕試驗發(fā)動機(jī)研制的指導(dǎo)思想

設(shè)計中盡可能采用已有的成熟技術(shù)或具有預(yù)研基礎(chǔ)的技術(shù)，在滿足產(chǎn)品使用功能、保證設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)設(shè)計方案的前提下，選用結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低的技術(shù)途徑。并在發(fā)動機(jī)外形結(jié)構(gòu)和裝藥結(jié)構(gòu)上，參照同類型發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和我國現(xiàn)有的成熟的推進(jìn)劑配方，提出切實可行的技術(shù)方案。

2.2 燒蝕試驗發(fā)動機(jī)總體方案選擇

1）根據(jù)系統(tǒng)總體對發(fā)動機(jī)提出的技術(shù)要求，決定采用端面燃燒的裝藥結(jié)構(gòu)；

2）由于燒蝕試驗發(fā)動機(jī)是多次使用的發(fā)動機(jī)，故采用厚壁結(jié)構(gòu)，且采用裝配簡單可靠的法蘭連接結(jié)構(gòu)；

3）發(fā)動機(jī)由點火裝置、燃燒室、裝藥和噴管等零、部、組件組成，燃?xì)舛嬖囼灱c噴管殼體法蘭連接；

4）燃燒室殼體采用優(yōu)質(zhì)合金鋼30CrMnSiA機(jī)加而成；

5）噴管和燃燒室內(nèi)表面均有絕熱層；

6）使用常用的三組元丁羥復(fù)合推進(jìn)劑作為燃燒室裝藥。其出口截面的燃?xì)鈪?shù)“平均分子量”、“氣體常數(shù)”和“凝相含量”由推進(jìn)劑配方?jīng)Q定，“壓強”、“溫度”、“密度”和“速度”等由發(fā)動機(jī)總體參數(shù)決定。

3 燒蝕試驗發(fā)動機(jī)設(shè)計計算

3.1 燒蝕試驗發(fā)動機(jī)總體設(shè)計

發(fā)動機(jī)總體設(shè)計主要包括確定發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、選擇殼體材料、選擇推進(jìn)劑和確定主要設(shè)計參量（燃燒室外徑、燃燒室壓強、膨脹比和噴管喉部直徑）。

3.1.1 殼體材料選擇

燃燒室殼體、噴管材料均采用30CrMnSiA合金鋼，該材料來源豐富，價格便宜，性能穩(wěn)定，它的最大優(yōu)點是不含我國稀有合金元素-鎳，而它的機(jī)械性能與鉻鎳鉬鋼相近，其短時高溫性能、成形性能和焊接性能均良好。是我國目前固體火箭發(fā)動機(jī)主要用材之一。廣泛應(yīng)用于中小型發(fā)動機(jī)上。

4 數(shù)值模擬驗證

基于燃?xì)舛姘l(fā)動機(jī)流動特性，選用FLUENT中k-ε湍流模型對實驗方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析燃?xì)舛嬖诠ぷ鲿r內(nèi)流場分布。通過計算結(jié)果對內(nèi)部產(chǎn)生能量損失和燒蝕的原因與位置進(jìn)行分析，有助于優(yōu)化燃?xì)舛嬖O(shè)計改進(jìn)。

在未安裝燃?xì)舛媲埃細(xì)舛媲岸嗣嫠谖恢脟姽芙孛鎱?shù)為：平均溫度2720K，出口平均靜壓0.5MPa，出口平均速度2210m/s?；痉显O(shè)計要求。燃?xì)舛媲岸嗣鏆饬魍?，燒蝕最為嚴(yán)重。

綜上可知，通過合理的設(shè)計實驗?zāi)M火箭發(fā)動機(jī)，完全能夠模擬規(guī)定工況，對燃?xì)舛嬖诓煌ぷ鳡顟B(tài)下的燒蝕情況進(jìn)行模擬實驗。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]