固體發(fā)動(dòng)機(jī)飛行橫向過(guò)載下絕熱層燒蝕探究①

劉中兵，郜偉偉

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院，西安 710025)

0 引言

為滿足現(xiàn)代防空導(dǎo)彈全空域作戰(zhàn)的需要，或者一些戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈道設(shè)計(jì)的需要，作為其動(dòng)力裝置的固體發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行主動(dòng)段期間往往承受較為復(fù)雜的橫向、軸向過(guò)載聯(lián)合作用的過(guò)載條件[1-2]。如某系列發(fā)動(dòng)機(jī)，橫向過(guò)載存在短時(shí)大過(guò)載(過(guò)載大小30g，持續(xù)時(shí)間2 s)和長(zhǎng)時(shí)間中小過(guò)載(過(guò)載大小0～15g，持續(xù)時(shí)間8 s以上)兩種典型工況，對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作過(guò)程產(chǎn)生一定的影響[3]。尤其是飛行橫向過(guò)載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)絕熱結(jié)構(gòu)燒蝕的影響，近年來(lái)橫向過(guò)載導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)飛行失利的故障時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)于飛行過(guò)程中的橫向過(guò)載，在固體發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制中應(yīng)給予足夠重視。

國(guó)外Sabnis J S[4]在20世紀(jì)90年代就認(rèn)識(shí)到過(guò)載會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的改變，并建立了相應(yīng)的計(jì)算方法獲得了橫向過(guò)載條件下的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。國(guó)內(nèi)何國(guó)強(qiáng)等[5]采用顆粒軌道模型，開(kāi)展了不同過(guò)載組合條件下發(fā)動(dòng)機(jī)兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬，揭示了過(guò)載條件下的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算結(jié)果和發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)結(jié)果具有較好的一致性。在此基礎(chǔ)上，李江等[6-8]發(fā)展了利用收縮管聚集產(chǎn)生高濃度粒子流的實(shí)驗(yàn)方法，開(kāi)展了顆粒沖刷速度和濃度對(duì)絕熱層燒蝕影響的實(shí)驗(yàn)研究，并得到了實(shí)驗(yàn)條件下兩相沖刷參數(shù)和燒蝕率之間的回歸關(guān)系式。劉洋等[9-10]系統(tǒng)地開(kāi)展了多種過(guò)載工況條件下三元乙丙絕熱材料的燒蝕實(shí)驗(yàn)研究，研究了纖維、SiO2含量對(duì)絕熱層燒蝕特性的影響。諸毓武[11]針對(duì)某導(dǎo)彈主動(dòng)段存在全程橫向過(guò)載的條件，采用工程計(jì)算方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層的安全裕度進(jìn)行了分析，對(duì)典型過(guò)載工況下發(fā)動(dòng)機(jī)三維兩相內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)絕熱層迎風(fēng)臺(tái)階可導(dǎo)致局部燒蝕加強(qiáng)的現(xiàn)象，應(yīng)減小臺(tái)階落差。劉洋等[12]為配合某大長(zhǎng)徑比發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間小過(guò)載條件下的燒穿故障分析，對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間小過(guò)載下的三維兩相內(nèi)流場(chǎng)分析，研究發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流道內(nèi)不同區(qū)域的顆粒聚集特征，并結(jié)合殘骸形貌進(jìn)行了失效模式分析。綜上，針對(duì)過(guò)載對(duì)絕熱層燒蝕的影響，國(guó)內(nèi)外主要集中在流場(chǎng)數(shù)值模擬、地面過(guò)載模擬試驗(yàn)、絕熱層燒蝕模型等三方面。受試驗(yàn)條件和研究手段的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際飛行過(guò)載條件下的殘骸形貌和燒蝕規(guī)律，很少見(jiàn)報(bào)道。

本文在對(duì)某系列發(fā)動(dòng)機(jī)參加歷次典型橫向短時(shí)大過(guò)載和長(zhǎng)時(shí)間中小過(guò)載工況飛行試驗(yàn)后絕熱層解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行過(guò)載工況下的絕熱層燒蝕規(guī)律，以期為具有類似過(guò)載工況發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱設(shè)計(jì)提供參考。

1 橫向短時(shí)大過(guò)載條件下絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

1.1 A1發(fā)動(dòng)機(jī)大過(guò)載飛行后絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

A發(fā)動(dòng)機(jī)采用后翼柱形藥型，丁羥三組元推進(jìn)劑。其中，A1發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了低空正負(fù)交變大過(guò)載下的飛行試驗(yàn)，過(guò)載曲線見(jiàn)圖1。12 s前，橫向過(guò)載很??；12 s后，開(kāi)始施加負(fù)向過(guò)載，16 s時(shí)，橫向過(guò)載Ny=-5g；此后開(kāi)始施加正向過(guò)載，16.6 s達(dá)到最大值，Ny=28g；17.6 s，Ny=24g。

獲得了A1發(fā)動(dòng)機(jī)飛行后殘骸，經(jīng)對(duì)絕熱層解剖測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在殼體Ⅰ、Ⅲ象限線分別存在一條燒蝕槽，Ⅰ象限線燒蝕槽距燃燒室后端面500～650 mm，Ⅲ象限線燒蝕槽中心距燃燒室后端面680 mm。燒蝕槽寬約30 mm，以Ⅰ、Ⅲ象限線為中心，此范圍內(nèi)絕熱層燒蝕嚴(yán)重。Ⅱ、Ⅳ象限線方向上絕熱層燒蝕輕微。從絕熱層暴露時(shí)間判斷，Ⅰ、Ⅲ象限線上燒蝕槽分別由負(fù)向過(guò)載和正向過(guò)載引起，即燒蝕槽對(duì)應(yīng)橫向過(guò)載的反方向。Ⅰ、Ⅲ象限線上絕熱層測(cè)厚結(jié)果見(jiàn)圖2所示，燒蝕槽區(qū)域與橫向過(guò)載、絕熱層暴露時(shí)刻的關(guān)系見(jiàn)圖3所示。

從A1發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ、Ⅲ象限線絕熱層解剖數(shù)據(jù)看，無(wú)論是長(zhǎng)時(shí)間小過(guò)載還是短時(shí)大過(guò)載，絕熱層最大燒蝕位置均出現(xiàn)在過(guò)載開(kāi)始施加時(shí)絕熱層開(kāi)始暴露的位置，即藥柱燃燒表面附近。長(zhǎng)時(shí)間小過(guò)載燒蝕影響區(qū)較長(zhǎng)，短時(shí)大過(guò)載燒蝕影響區(qū)較短。

1.2 A2發(fā)動(dòng)機(jī)大過(guò)載飛行后絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

A2發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了低空大過(guò)載的飛行試驗(yàn)，過(guò)載曲線見(jiàn)圖4所示。飛行試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸表明，在過(guò)載承載一側(cè)存在一條明顯的燒蝕槽，最大燒蝕點(diǎn)距燃燒室后端面680 mm左右，絕熱層燒蝕量3.7 mm。

1.3 B發(fā)動(dòng)機(jī)大過(guò)載飛行后絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

B發(fā)動(dòng)機(jī)同樣采用后翼柱形藥型，采用丁羥四組元推進(jìn)劑。其中，B1發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了低空大過(guò)載飛行，過(guò)載曲線見(jiàn)圖5。由試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸可見(jiàn)，在Ⅰ象限線附近絕熱層存在一條明顯的燒蝕槽，最大燒蝕點(diǎn)距燃燒室后端面680 mm左右，絕熱層燒蝕量4.5 mm。

短時(shí)大過(guò)載下A和B發(fā)動(dòng)機(jī)最大燒蝕點(diǎn)位置與橫向過(guò)載、絕熱層暴露時(shí)刻的關(guān)系見(jiàn)圖6。

從A和B發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)大過(guò)載工況絕熱層解剖數(shù)據(jù)看，在短時(shí)大過(guò)載工況下，橫向過(guò)載方波均出現(xiàn)在16～18 s之間，大小也較固定，因而絕熱層過(guò)載燒蝕區(qū)較集中，燒蝕槽較短，最大燒蝕點(diǎn)均在橫向過(guò)載開(kāi)始施加時(shí)絕熱層開(kāi)始暴露的位置附近。

2 橫向長(zhǎng)時(shí)間中小過(guò)載條件下絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

2.1 A3發(fā)動(dòng)機(jī)飛行后絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

A3發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間小過(guò)載的飛行試驗(yàn)，過(guò)載曲線見(jiàn)圖7。在11 s之前橫向過(guò)載很小，此后橫向負(fù)過(guò)載逐漸加大，16.66 s時(shí)，橫向過(guò)載Ny=-8g。

獲得了A3發(fā)動(dòng)機(jī)飛行后殘骸，燒蝕槽位于殼體Ⅰ象限線，即負(fù)向過(guò)載的反方向，中心距燃燒室后端面456 mm。絕熱層在Ⅰ象限線兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)燒蝕嚴(yán)重。殘骸其他部位絕熱層燒蝕正常，絕熱層無(wú)明顯碳化現(xiàn)象。A3發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸絕熱層解剖結(jié)果見(jiàn)圖8所示，燒蝕槽區(qū)域與橫向過(guò)載、絕熱層暴露時(shí)刻的關(guān)系見(jiàn)圖9所示。

從A3發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)看，在長(zhǎng)時(shí)間小過(guò)載作用下，燒蝕槽出現(xiàn)在距燃燒室后端面300～600 mm范圍內(nèi)，燒蝕槽內(nèi)各處絕熱層燒蝕量與過(guò)載作用下暴露時(shí)間基本成線性關(guān)系。

2.2 A4發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

A4發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間中過(guò)載的飛行試驗(yàn)，獲得了完整的后筒段絕熱層殘骸，包含了過(guò)載作用下燒蝕影響區(qū)從開(kāi)始至結(jié)束的所有區(qū)域。A4發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸絕熱層解剖結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11所示。

絕熱層測(cè)厚數(shù)據(jù)表明：過(guò)載影響區(qū)域距后端面距離為300～650 mm，從前向后燒蝕量逐漸增大，在人工脫粘層根部(即人脫分離處)附近燒蝕量達(dá)到最大；燒蝕槽寬度為40～50 mm；除燒蝕槽外的其他部位絕熱層燒蝕量較小。

與A3發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層燒蝕規(guī)律類似，在長(zhǎng)時(shí)間中過(guò)載作用下，燒蝕槽出現(xiàn)在距燃燒室后端面300～650 mm范圍內(nèi)，燒蝕槽內(nèi)各處絕熱層燒蝕量與過(guò)載作用下暴露時(shí)間基本成線性關(guān)系。因過(guò)載和作用時(shí)間的增加，各處絕熱層燒蝕量相對(duì)小過(guò)載工況顯著增加。

2.3 B2、B3發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層燒蝕數(shù)據(jù)

B2、B3發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了相同過(guò)載條件下的飛行試驗(yàn)，過(guò)載曲線見(jiàn)圖12所示。獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)飛行后的殘骸，絕熱層測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖13所示，B2發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕槽位置與橫向過(guò)載、絕熱層暴露時(shí)刻的關(guān)系見(jiàn)圖14所示。

在長(zhǎng)時(shí)間中小過(guò)載作用下，B2、B3發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕槽出現(xiàn)在距燃燒室后端面300～650 mm范圍內(nèi)，燒蝕槽內(nèi)各處絕熱層燒蝕量與過(guò)載作用下暴露時(shí)間基本成線性關(guān)系。人脫根部和后接頭拐彎處由于絕熱層臺(tái)階的阻擋作用，絕熱層燒蝕加劇，應(yīng)是粒子流在該處聚集的結(jié)果。

3 分析與討論

3.1 各工況下發(fā)動(dòng)機(jī)筒段絕熱層燒蝕率

將以上積累的各次典型橫向過(guò)載飛行試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層燒蝕率數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，見(jiàn)表1和圖15?？煽闯觯陲w行橫向過(guò)載下，絕熱層燒蝕率與橫向過(guò)載之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系。表1中，過(guò)載作用時(shí)間段指尾部絕熱層開(kāi)始暴露后過(guò)載作用時(shí)間。

表1 各工況下發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層燒蝕率

3.2 筒段絕熱層最大燒蝕點(diǎn)位置

各發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)后最大燒蝕點(diǎn)位置與橫向過(guò)載、各部位絕熱層開(kāi)始暴露時(shí)刻的關(guān)系見(jiàn)圖16所示。由圖16看出，最大燒蝕點(diǎn)位置與橫向過(guò)載下絕熱層開(kāi)始暴露位置之間存在著極強(qiáng)的一致性。因此，無(wú)論是短時(shí)大過(guò)載還是長(zhǎng)時(shí)間中小過(guò)載，筒段絕熱層最大燒蝕部位與過(guò)載條件下絕熱層開(kāi)始暴露的位置有關(guān)，與過(guò)載大小關(guān)系不大。

3.3 過(guò)載作用下絕熱層局部臺(tái)階的影響

在長(zhǎng)時(shí)間中小過(guò)載作用下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室承載一側(cè)絕熱層存在一較長(zhǎng)的燒蝕槽，由A4和B2、B3發(fā)動(dòng)機(jī)可看出，在絕熱層出現(xiàn)臺(tái)階的人脫根部和后接頭拐彎處，絕熱層燒蝕極不均勻，應(yīng)是過(guò)載作用下粒子流受到凸起臺(tái)階的阻擋從而在該區(qū)域產(chǎn)生聚集，出現(xiàn)較大的燒蝕坑。對(duì)于該處的絕熱層燒蝕，較難以絕熱層燒蝕率模型的形式進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)在結(jié)構(gòu)型面設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，避免較大的臺(tái)階出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)在飛行橫向過(guò)載條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層在橫向過(guò)載的反方向一側(cè)存在一條明顯的燒蝕槽，該處的燒蝕率顯著大于周向其他位置的燒蝕率。

(2)橫向過(guò)載下筒段絕熱層最大燒蝕率與橫向過(guò)載之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行橫向過(guò)載條件下筒段絕熱層最大燒蝕點(diǎn)位置出現(xiàn)在施加橫向過(guò)載時(shí)絕熱層開(kāi)始暴露的位置附近。

(4)在橫向長(zhǎng)時(shí)間中小過(guò)載作用下，因凝相粒子流的聚集在凸起較大的人脫根部和后接頭拐彎處出現(xiàn)較大的燒蝕坑，燒蝕極不均勻，易發(fā)生燒穿故障。應(yīng)在結(jié)構(gòu)型面設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，避免較大的臺(tái)階出現(xiàn)。