基于熱障涂層保護(hù)的雙向正交支撐板優(yōu)化設(shè)計(jì)

刁吉陽，馬新建，婁云鴿

（1.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海 200070）

與常規(guī)的采用直噴管的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用斜置噴管的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，會(huì)產(chǎn)生大量凝相顆粒沉積于噴管收斂段壁面，且與噴管傾斜同方向的收斂側(cè)壁面因燃?xì)饬鲃?dòng)作用，承受更多高速凝相顆粒的撞擊和沖刷，加劇噴管收斂段絕熱層沖刷燒蝕[1-4]。同理，對(duì)于采用自由裝填藥柱的斜置噴管固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，藥柱的軸向定位及固定的支撐板結(jié)構(gòu)同時(shí)承受高溫燃?xì)鉄g和壓力作用，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?zé)g和變形，導(dǎo)致藥柱未燃燒充分而發(fā)生藥柱飛出的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

文中在給定斜置噴管內(nèi)型面條件下，將自由裝填藥柱的支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙向正交形式，并對(duì)其幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。通過仿真計(jì)算方法對(duì)比不同幾何尺寸的雙向正交支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量及通氣面積等性能。同時(shí)，為解決斜置噴管帶來的高溫高速燃?xì)鈩×覜_刷問題，對(duì)藥柱支撐板結(jié)構(gòu)表面涂覆熱障涂層[5-7]。針對(duì)相同結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的支撐板，分別仿真計(jì)算有/無涂覆熱障涂層保護(hù)條件下傳熱性能和熱強(qiáng)度。最后通過四組發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)考核不同設(shè)計(jì)方案的性能，確定了最終的設(shè)計(jì)方案，為自由裝填藥柱形式的斜置噴管發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 自由裝填式藥柱支撐板常見結(jié)構(gòu)

自由裝填式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱一般采用圓形管狀裝藥，自由裝填至發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)，點(diǎn)火器一般位于發(fā)動(dòng)機(jī)頭部或尾部。藥柱在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部需要軸向定位和固定，一般采用藥柱支撐板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)藥柱的固定，藥柱支撐板結(jié)構(gòu)如圖1所示。支撐板作為藥柱的軸向定位或固定裝置，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中起固定藥柱作用，需為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的通氣面積，保證發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)過噴管加速作用，產(chǎn)生預(yù)定的推力。因此支撐板需要具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、較好的耐燒蝕性及較大通氣面積，不因高壓燃?xì)庾饔冒l(fā)生破裂和大變形。同時(shí)，一般要求支撐板結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小，并具有較好的工藝經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥形式，圖1所示的前兩種支撐板結(jié)構(gòu)均無法適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱裝填，直棱式支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足大秒流量燃?xì)鉄g的工作環(huán)境。因此設(shè)計(jì)了如圖2所示的雙向正交型支撐板結(jié)構(gòu)，并對(duì)相同材料、相同外形尺寸的輪輻式支撐板、蜂窩式支撐板及雙向正交式支撐板在相同載荷作用下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行計(jì)算，見表1。計(jì)算結(jié)果表明，在相同的壓強(qiáng)作用下，輪輻式支撐板變形最小，通氣面積最大；雙向正交的筋棱結(jié)構(gòu)變形量通氣面積最小，質(zhì)量最小。三種結(jié)構(gòu)的通氣面積和變形量差異范圍較小，考慮到三種結(jié)構(gòu)的工藝經(jīng)濟(jì)性，選取工藝性較好的雙向正交型結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并采用整體銑削加工工藝。

表1 三種形式支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比

2 強(qiáng)度及傳熱仿真分析

按照某發(fā)動(dòng)機(jī)建立縮比三維計(jì)算模型，如圖3所示。藥柱支撐板位于藥柱和噴管端面之間，通過噴管對(duì)藥柱施加軸向預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)藥柱的軸向定位和固定。發(fā)動(dòng)機(jī)直徑為150 mm，裝藥段長度為270 mm，采用非潛入式噴管，斜置角度為45°。為考核不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的雙向正交結(jié)構(gòu)支撐板強(qiáng)度，以及有熱障涂層的抗燒蝕性能，對(duì)該模型開展了計(jì)算分析。

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

對(duì)圖 2所示不同尺寸的正交筋板在燃?xì)庾饔孟碌慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算[8-9]。將寬度B=5 mm設(shè)定為常量，計(jì)算不考慮燒蝕時(shí)，不同筋板間距A值和筋板厚度C值尺寸條件下，藥柱支撐板在1.05 MPa燃?xì)鈮翰钭饔孟碌膽?yīng)力及變形，計(jì)算結(jié)果見表2。支撐板的材料為 30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為 835 MPa，極限強(qiáng)度為 1080 MPa。結(jié)果表明，相同的筋板寬度B條件下，筋板間距A越大，筋板厚度C越小，變形量越大；對(duì)于8×8正交結(jié)構(gòu)和9×9正交結(jié)構(gòu)，在相同B值和C值時(shí)，A值對(duì)支撐板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大。綜合考慮支撐板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形量、通氣面積及工藝性，認(rèn)為8×8正交結(jié)構(gòu)，A=16 mm，B=5 mm，C=4 mm是較合適結(jié)構(gòu)，該尺寸支撐板的應(yīng)變和應(yīng)力分別如圖4和圖5所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)尺寸仿真計(jì)算結(jié)果

2.2 熱障涂層保護(hù)下強(qiáng)度和傳熱分析

基于對(duì)前述六種結(jié)構(gòu)尺寸的支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果，確定A=16 mm，B=5 mm，C=4 mm的尺寸結(jié)構(gòu)。再仿真計(jì)算雙向正交支撐板結(jié)構(gòu)在有/無熱障涂層保護(hù)下，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中燃?xì)饬魉?、支撐板的熱?qiáng)度以及支撐板傳熱情況。

發(fā)動(dòng)機(jī)壁面設(shè)置為無滑移壁面，求解器設(shè)置為基于壓力求解，燃?xì)鈮簭?qiáng)為16.5 MPa，定壓比熱1835 J/(kg·K)，秒流量為 15.5 kg/s，導(dǎo)熱系數(shù)由動(dòng)力學(xué)理論給定，黏性系數(shù)由Sutherland公式確定，控制方程采用二階迎風(fēng)差分格式[10-12]。分子量為 20 kg/( kg·mol) ，熱障涂層氧化鋯的密度為4810 kg/m3，比熱Cp為 500 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)λ為 15 W/(m·K)。

圖6為斜置噴管發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃?xì)饬魉僭茍D，圖6a和圖6b分別為無/有熱障涂層保護(hù)的支撐板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的燃?xì)饬魉僭茍D。兩種結(jié)構(gòu)下的燃?xì)馑俣扔?jì)算結(jié)果差異不明顯，越靠近中心位置，速度越大，流動(dòng)速度的最大值均在290 m/s左右。

圖 7a和圖 7b分別為無/有熱障涂層藥柱支撐板的承受燃?xì)庾饔煤蟮淖笥覂擅娴膲毫υ茍D。可以看出，支撐板左右兩側(cè)存在一定壓差，燃?xì)庾饔脤?dǎo)致兩種結(jié)構(gòu)的支撐板均承受約9586 N的壓力，且涂覆熱障涂層并未引起明顯的壓力差異。

圖8給出了支撐板中心截面處的溫度分布云圖，可知具有熱障涂層的支撐板內(nèi)部受熱情況有較顯著改善。無熱障涂層時(shí)支撐板前壁面溫度約 2300 K，有熱障涂層時(shí)相同位置溫度約 1850 K，溫度相差近450 K。證明熱障涂層可有效提供雙向正交支撐板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖9給出了支撐板沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向溫度分布曲線，無熱障涂層支撐板內(nèi)部的最低溫度為1159 K，有熱障涂層保護(hù)內(nèi)部最低溫度為903 K。表明熱障涂層可大幅降低支撐板結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度。

3 支撐板強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，銑削加工了9×9正交支撐板和8×8正交支撐板各兩件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，具體情況見表3。支撐板分別安裝至斜置噴管發(fā)動(dòng)機(jī)中，藥柱種類和質(zhì)量一致，進(jìn)行了四次點(diǎn)火試驗(yàn)。為了驗(yàn)證表2中仿真結(jié)果的正確性，采用相同材料加工了1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)支撐板，均涂覆了0.3 mm氧化鋯熱障涂層，考核在相同條件的高溫燃?xì)猓?300 K）作用下，支撐板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。2號(hào)支撐板采用耐燒蝕鉬鈦鋯合金加工，驗(yàn)證無燒蝕情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈮簭?qiáng)的作用效果。通過3號(hào)和4號(hào)試樣對(duì)比，可分析8×8正交支撐板的筋板厚度對(duì)強(qiáng)度的影響大小。通過2號(hào)和4號(hào)試樣對(duì)比，可分析燃?xì)庾饔眠^程中，支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與熱障涂層保護(hù)綜合作用影響。點(diǎn)火試驗(yàn)的結(jié)果如圖10所示。

表3 支撐板高溫燃?xì)鉄g試驗(yàn)方案

四次發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)后，拆解試驗(yàn)后殘骸，取出支撐板殘骸進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。由1號(hào)試驗(yàn)結(jié)果可知，該方案的雙向正交支撐板中心位置發(fā)生劇烈燒蝕，與圖7和圖8的仿真結(jié)果一致。正交中心部位雖然涂覆熱障涂層，但因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較小，在高溫高壓燃?xì)庾饔孟拢纫蚋邷刈饔脧?qiáng)度降低，后因高壓燃?xì)庾饔茫怪伟逯行奈恢冒l(fā)生撕裂并劇烈燒蝕，出現(xiàn)大面積燒蝕孔洞。2號(hào)試驗(yàn)中，采用的是耐燒蝕的鉬鈦鋯合金，因此在高溫燃?xì)庾饔孟禄緹o燒蝕痕跡，但因鉬鈦鋯合金強(qiáng)度相對(duì) 30CrMnSiA較低，在高壓燃?xì)庾饔孟?，支撐板中心位置斷裂并形成較大面積撕裂空間。3號(hào)試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案的8×8正交支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，但因?yàn)橹行奈恢盟母畎鍩鄱霈F(xiàn)殘缺。結(jié)合4號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果分析，表明涂覆熱障涂層可以有效保證支撐板在高溫高壓燃?xì)庾饔孟戮哂休^好的熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可承受斜置噴管大秒流量高溫高壓燃?xì)鉀_刷和燒蝕的嚴(yán)酷條件，能避免該發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中自由裝填藥柱飛出的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)比四種狀態(tài)的支撐板在斜置噴管發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)中的燒蝕情況可知，在大秒流量高溫高壓燃?xì)庾饔孟?，支撐板必須具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、較大的通氣面積、且具有厚度足夠的熱障涂層進(jìn)行熱防護(hù)，支撐板結(jié)構(gòu)才能保證結(jié)構(gòu)完整，使固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中藥柱全部燃燒，從而有效保證固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力總沖等性能。

4 結(jié)語

基于對(duì)大秒流量斜置噴管發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱支撐板的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)和傳熱數(shù)值計(jì)算和四次斜置噴管發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火驗(yàn)證試驗(yàn)。

結(jié)果表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生大秒流量高溫高壓燃?xì)?，?duì)藥柱支撐板會(huì)產(chǎn)生巨大的燃?xì)鈮毫蛣×覠g，采用高強(qiáng)度鋼材料的雙向正交結(jié)構(gòu)支撐板難以承受燃?xì)鈮毫蜔g，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求。對(duì)超高強(qiáng)度材料的雙向正交支撐板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并涂覆熱障涂層保護(hù)后支撐板結(jié)構(gòu)因熱障涂層導(dǎo)熱系數(shù)小，隔熱作用明顯，使金屬基體在短時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的溫度相對(duì)較低，因此具有較高耐燒蝕性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在斜置噴管自由裝填固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中，具有較好的結(jié)構(gòu)完整性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的結(jié)構(gòu)完整性和燃燒充分性，驗(yàn)證了熱障涂層保護(hù)的雙向正交支撐板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性。

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