固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷增壓試驗(yàn)與數(shù)值仿真*

王創(chuàng)歌,李 昊,李 輝,賀賦銘,許進(jìn)升

(1 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094;2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,西安 710065)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程是一個(gè)機(jī)理復(fù)雜的非定常瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程,在數(shù)百毫秒內(nèi),燃燒室就會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、高速流動(dòng)的火藥燃?xì)?有時(shí)還伴有超壓、滯火、爆轟、燃燒振蕩、斷續(xù)燃燒和熄火等許多不規(guī)則現(xiàn)象[1]。這些不確定因素極易破壞自由裝填藥柱的結(jié)構(gòu)完整性,使藥柱因受力不均而產(chǎn)生形變或裂紋,影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)分布及藥柱的穩(wěn)定燃燒,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作,甚至引起發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃或者爆炸[2]。因此,固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火增壓過(guò)程中藥柱結(jié)構(gòu)完整性的分析和研究一直是一個(gè)重要課題。

在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)點(diǎn)火的惡劣條件下,想要測(cè)量藥柱的真實(shí)應(yīng)變異常困難,而且存在很高的危險(xiǎn)性和不確定性[3]。在冷增壓技術(shù)被提出之前,對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火增壓過(guò)程的研究一直是一個(gè)難題,國(guó)內(nèi)外的研究人員多數(shù)只能采用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行研究[4-5]。冷增壓技術(shù)被提出之后,國(guó)內(nèi)的研究人員開始利用其進(jìn)行固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程的研究,也證明了冷氣增壓技術(shù)的安全性、可靠性[6]。但當(dāng)前利用冷增壓試驗(yàn)研究固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程的人員還很少,而且研究方法很單一,大多只進(jìn)行冷增壓試驗(yàn)或者只進(jìn)行數(shù)值仿真,沒有將二者結(jié)合起來(lái),相互對(duì)比。文中利用一套自主設(shè)計(jì)的冷增壓試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火增壓過(guò)程,同時(shí)利用Fluent對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)仿真,利用ABAQUS對(duì)藥柱應(yīng)變進(jìn)行仿真,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,相互驗(yàn)證。

1 冷增壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究表明,在點(diǎn)火瞬間,主要有兩個(gè)方面的因素會(huì)導(dǎo)致藥柱變形開裂,一是初始?jí)毫Ψ逡约皦毫υ谒幹鶅?nèi)表面的不均勻分布;二是溫度對(duì)藥柱的影響,但相對(duì)于流動(dòng)的壓力波及不均勻分布的壓力對(duì)藥柱形變的影響,溫度的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

文中的冷增壓試驗(yàn)裝置就是不考慮點(diǎn)火過(guò)程中溫度對(duì)藥柱形變的影響,以高壓氮?dú)庾鳛闅怏w介質(zhì),通過(guò)閉鎖器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部分的快速增壓來(lái)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱所受壓力通過(guò)壓力傳感器采集,經(jīng)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大后輸入數(shù)據(jù)采集卡并顯示在計(jì)算機(jī)軟件中。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)按功能可分為四部分,分別是氣源單元、快速增壓?jiǎn)卧⒛M發(fā)動(dòng)機(jī)單元、測(cè)試單元。

氣源單元由高壓氮?dú)夤藓蜁捍媸絻?chǔ)氣罐組成,為試驗(yàn)提供壓力源,連接管上有壓力表,可以分別觀測(cè)氮?dú)夤拗袎毫χ狄约皟?chǔ)氣罐中壓力狀態(tài)。

快速增壓?jiǎn)卧呻妱?dòng)牽引桿和閉鎖器組成。主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的快速增壓。

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)單元由噴嘴、實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、壓力采集裝置組成。噴嘴和實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)研究需要進(jìn)行更換。

測(cè)控單元由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀組成。壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大后輸入數(shù)據(jù)采集卡并顯示在計(jì)算機(jī)軟件中。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1)準(zhǔn)備工作。連接試驗(yàn)系統(tǒng)各單元,整體調(diào)試,并測(cè)試各連接處的密封性。調(diào)整閉鎖器缸,使撞針退回到壓縮狀態(tài),并安裝厚度為0.2 mm的金屬膜片。

2)充氣過(guò)程。打開高壓氮?dú)夤揲y門向暫存式儲(chǔ)氣罐充氣,通過(guò)壓力表觀察內(nèi)部壓力情況,達(dá)到試驗(yàn)要求值后,關(guān)閉高壓氮?dú)夤揲y門。

3)快速增壓。控制電動(dòng)推拉桿拉動(dòng)頂螺栓,閉鎖器彈起釋放撞針,刺破膜片,高壓氣體沖入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部。同時(shí),測(cè)控單元采集數(shù)據(jù)。

4)結(jié)束泄壓。試驗(yàn)結(jié)束后,泄壓電磁閥打開,排出高壓氣體。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2,為研究藥柱內(nèi)外兩側(cè)的受力情況,采用環(huán)向噴嘴對(duì)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

如圖2所示,發(fā)動(dòng)機(jī)上有A、B、C、D、E5個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程中,選A、B、C3點(diǎn)作為藥柱在頭部、中部、尾部3個(gè)位置的測(cè)點(diǎn),先測(cè)量3點(diǎn)外壓,在相同試驗(yàn)條件下再測(cè)量?jī)?nèi)壓[7]。測(cè)量5次,結(jié)果取平均值,作為真實(shí)壓力場(chǎng)分布結(jié)果,藥柱為PE材料加工的模擬藥柱。結(jié)果如圖3～圖7。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)從圖3、圖4可以看出,3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力在250 ms達(dá)到峰值且壓力值高出穩(wěn)定值8%～10%,分析可能是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷增壓速度極快,形成激波,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔流場(chǎng)存在激波的重疊,形成壓力峰,激波快速通過(guò)后,壓力下降。

2)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)尾部被密封,整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部可以看作密閉空間,所以3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力達(dá)到峰值之后開始下降并在350 ms以后趨于平穩(wěn)。說(shuō)明模擬發(fā)動(dòng)機(jī)可以模擬真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)從點(diǎn)火建壓到壓力穩(wěn)定正常工作的過(guò)程。

3)從圖5、圖6、圖7可以看出,同一時(shí)刻藥柱內(nèi)外兩側(cè)所受壓力存在差異,且建壓速度極快,可達(dá)20 MPa/s,說(shuō)明在模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)建壓過(guò)程中,藥柱會(huì)受到不均勻的沖擊載荷作用。如前文所述,點(diǎn)火過(guò)程中不均勻的壓力分布是藥柱變形開裂的主要原因,證明了本試驗(yàn)的合理性。

2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的流場(chǎng)仿真

2.1 流場(chǎng)仿真

使用Fluent對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷增壓試驗(yàn)進(jìn)行流場(chǎng)仿真[8]?？紤]到試驗(yàn)系統(tǒng)的對(duì)稱性,仿真采用二維對(duì)稱機(jī)構(gòu),邊界采用絕熱無(wú)滑移邊界條件。如圖8所示,計(jì)算初始化時(shí),以金屬薄片所在位置為準(zhǔn),將整個(gè)計(jì)算域分為兩部分,儲(chǔ)氣罐區(qū)域?yàn)楦邏簠^(qū),設(shè)定為5 MPa;發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū),設(shè)定為0.1 MPa。

2.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)仿真時(shí),采用的是最理想的情況,即不考慮快速增壓裝置中的機(jī)械系統(tǒng)的延遲、撞針刺破膜片的時(shí)間、高壓氣流沖開膜片的時(shí)間等。故在將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比時(shí),為更符合實(shí)際情況,綜合考慮各種因素后將仿真時(shí)間放大10倍后與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。結(jié)果分析如下:

1)對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)壓力曲線的趨勢(shì)一致,即都會(huì)產(chǎn)生壓力峰,之后振蕩趨于平穩(wěn),仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果有了相互印證,說(shuō)明冷增壓試驗(yàn)可以用來(lái)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程。

2)試驗(yàn)和仿真的壓力峰值相對(duì)誤差在20%以內(nèi),其中的原因可能是試驗(yàn)中氣流沖破膜片以及通過(guò)環(huán)形噴嘴時(shí)有一定的能量損失,而計(jì)算機(jī)仿真未將此因素計(jì)算在內(nèi)。

3)將仿真時(shí)間放大10倍后,增壓速度相差依然較大,可能有兩方面原因,本試驗(yàn)系統(tǒng)的快速增壓裝置反應(yīng)速度太慢,有一定的機(jī)械延遲;測(cè)試系統(tǒng)存在延遲,不能快速而準(zhǔn)確地追蹤壓力的變化。

3 藥柱點(diǎn)火增壓過(guò)程中力學(xué)特性仿真

應(yīng)用ABAQUS軟件,對(duì)試驗(yàn)藥柱進(jìn)行數(shù)值仿真[9-10]。從試驗(yàn)藥柱內(nèi)腔采集的壓力曲線可以看出,在同一時(shí)刻,內(nèi)腔各點(diǎn)所受壓力基本相同,藥柱外表面也同樣如此。故在仿真中將在冷增壓試驗(yàn)中測(cè)得的0～0.5 s內(nèi)藥柱中部?jī)?nèi)、外側(cè)壓力數(shù)據(jù)作為載荷條件,加載于藥柱內(nèi)外表面;材料密度為970 kg/m3,泊松比為0.42,彈性模量為470 MPa;采用動(dòng)態(tài)分析步計(jì)算;藥柱網(wǎng)格全部采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

t=0.5 s時(shí),冷氣沖擊試驗(yàn)中藥柱所受壓力基本保持不變。從藥柱應(yīng)變?cè)茍D可以看出,壓力穩(wěn)定后藥柱不同方向的應(yīng)變集中位置不同。從圖15、圖16、圖17看出,徑向應(yīng)變主要集中在藥柱外側(cè)大部分區(qū)域;環(huán)向應(yīng)變集中于藥柱內(nèi)側(cè);對(duì)于軸向應(yīng)變,由于藥柱首尾都設(shè)有擋藥板,仿真中設(shè)置有邊界條件,軸向應(yīng)變相對(duì)于徑向、環(huán)向應(yīng)變很小,且藥柱中間部分的軸向應(yīng)變高于首尾兩端。

從圖18、圖19可以看出,各點(diǎn)的應(yīng)變都在220～250 ms范圍內(nèi)達(dá)到最大,即冷氣增壓試驗(yàn)中壓力峰到來(lái)的時(shí)刻,藥柱應(yīng)變達(dá)到最大。說(shuō)明了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程產(chǎn)生的壓力峰是影響藥柱裝藥結(jié)構(gòu)完整性的主要因素。在進(jìn)行藥柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝藥材料類型選擇時(shí),要考慮到點(diǎn)火過(guò)程中產(chǎn)生的壓力峰對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響。

4 結(jié)論

綜上所述,文中得到以下結(jié)論:

1)冷增壓試驗(yàn)可以模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程,可利用冷增壓試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究。

2)以壓力為5 MPa的高壓氮?dú)膺M(jìn)行冷增壓試驗(yàn)時(shí),在250 ms模擬發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生高出穩(wěn)定壓力值8%～10%的壓力峰。從ABAQUS仿真結(jié)果看,在壓力峰到來(lái)的時(shí)刻,藥柱應(yīng)變達(dá)到最大。說(shuō)明點(diǎn)火過(guò)程中由激波重疊形成的的壓力峰是使藥柱結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞的的主要原因。

3)用環(huán)形噴嘴進(jìn)行冷增壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在冷增壓試驗(yàn)中藥柱同一位置的內(nèi)外側(cè)受力不等,造成藥柱各部分應(yīng)變不一致。藥柱在點(diǎn)火過(guò)程中所受的不均勻沖擊載荷是藥柱變形開裂的另一主要原因。