一種燃?xì)獍l(fā)生器的變推力設(shè)計與仿真

付文娟,曾慶軒,李明愉

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

0 引言

彈射系統(tǒng)變推力驅(qū)動，是指對輸入發(fā)射筒的燃?xì)饬窟M(jìn)行調(diào)節(jié)，使給定質(zhì)量的彈體在發(fā)射筒出口處達(dá)到要求的速度。常規(guī)彈體發(fā)射的推力技術(shù)主要包括固定能量發(fā)射、水冷卻器能量調(diào)節(jié)技術(shù)和更改噴喉直徑調(diào)節(jié)等[1]。固定能量發(fā)射方案的動力系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，然而由于其發(fā)射能量不變，故其調(diào)節(jié)能力較小，也不容易控制[2]；在水冷卻器能量調(diào)節(jié)方案里，冷卻器根據(jù)發(fā)射要求的不同，向燃?xì)饬髦袊娙氩煌|(zhì)量的冷卻水，其具有一定的調(diào)節(jié)能力但結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3-5]；更改噴喉直徑調(diào)節(jié)方案需要在噴管處設(shè)計一個調(diào)節(jié)錐，通過調(diào)節(jié)噴喉通氣面積的大小，進(jìn)而控制燃?xì)饬髁刻匦?，雖然其調(diào)節(jié)能力較強，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了可靠性[6-7]。

為設(shè)計一套結(jié)構(gòu)簡單、具有調(diào)節(jié)功能、實用性強的燃?xì)怛?qū)動裝置，本文調(diào)研了國內(nèi)外燃?xì)獍l(fā)生器的相關(guān)文獻(xiàn)。王玲玲[8]分別對管型裝藥、星型裝藥以及多種形狀的組合裝藥固體火箭發(fā)動機的點火瞬態(tài)過程進(jìn)行了二維軸對稱數(shù)值分析。Iwakiri T 等[9]設(shè)計了一種用于約束裝置的氣體發(fā)生器組件，包括：氣體發(fā)生器，與氣體發(fā)生器殼體組裝在一起的可調(diào)節(jié)氣體流量的控制裝置等結(jié)構(gòu)。Dunaway 等[10-11]設(shè)計了一種帶有高壓室、膨脹室和降溫、減少燃燒殘渣裝置的燃?xì)獍l(fā)生器。Hanano T 等[12]發(fā)明了一種氣體發(fā)生器，該燃?xì)獍l(fā)生器具有圓柱形殼體，其一端連接有點火裝置，另一端連接具有氣體排出口的擴(kuò)散器部分。秦新華等[13]對燃?xì)獍l(fā)生器的固定連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加了動力裝置的可靠性。王鵬等[14]對固體火箭發(fā)動機進(jìn)行了總體優(yōu)化設(shè)計。Alon Gany等[15]對固體推進(jìn)劑無噴嘴火箭發(fā)動機內(nèi)部彈道學(xué)進(jìn)行了理論及實驗研究，并分析了恒定區(qū)域理想氣體的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)一維流動，并對圓柱形推進(jìn)劑進(jìn)行了燃燒實驗參數(shù)研究，研究表明推進(jìn)劑的燃燒可以認(rèn)為是均勻速率的燃燒。趙堅等[16]采用燃燒室加質(zhì)、模型軸對稱等方法對產(chǎn)氣藥柱進(jìn)行了一維、 二維、及三維的一體化計算，得到了雙燃速內(nèi)彈道性能和軸對稱二維流場中燃?xì)鈪?shù)的分布。周哲等[17]建立了推進(jìn)劑燃燒的內(nèi)彈道模型，對不同藥柱數(shù)的推進(jìn)劑和點火藥的藥量的推力-時間變化關(guān)系進(jìn)行了仿真研究。

1 變推力驅(qū)動裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

要求設(shè)計一套燃燒溫度低、固體及污染腐蝕成分少、產(chǎn)氣量大且輸出推力可調(diào)的彈射系統(tǒng)動力裝置，該動力裝置為包含多根產(chǎn)氣藥柱的燃?xì)獍l(fā)生器，其設(shè)計原理圖如圖1所示。以包含3根藥柱的燃?xì)獍l(fā)生器為例，藥柱組件安裝在安裝板上，每根藥柱都有一個點火器與之相連，點火器由時序控制裝置控制其作用時序，從而控制燃?xì)獍l(fā)生器里的產(chǎn)氣藥柱的作用個數(shù)和作用時間，調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器的輸出氣體流量，進(jìn)而調(diào)整彈體系統(tǒng)內(nèi)部的推力。

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器裝置設(shè)計原理圖Fig.1 Design schematic of the gas generator

1.2 燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計與仿真方法

由于FLUENT軟件具有高效率的并行計算功能、強大的網(wǎng)格支持能力、自適應(yīng)能力、計算速度快、穩(wěn)定性好和精度高等優(yōu)點，擁有動網(wǎng)格及變形網(wǎng)格等技術(shù)，可為用戶提供二次開發(fā)接口User-Difined(UDF)，因此可廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)射等領(lǐng)域[18-19]。為解決邊界運動的問題，本文采用基于壓強的耦合隱式算法、k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)湍流模型、采用UDF接口對藥柱燃燒加質(zhì)、藥柱內(nèi)表面燃燒情況以及彈體運動情況進(jìn)行二次開發(fā)，對不同情況下發(fā)射筒內(nèi)壓強和彈體的速度、位移等情況進(jìn)行仿真模擬，探究燃?xì)獍l(fā)生器的推力變化狀況，為動力裝置的整體設(shè)計及以后的彈射實驗提供參考和依據(jù)。

以包含3根藥柱的燃?xì)獍l(fā)生器為例，根據(jù)彈射系統(tǒng)藥柱及其他各部件的實際尺寸，構(gòu)建的三維簡化模型如圖2所示，仿真模型部分參數(shù)如表1所示。

圖2 彈射系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of the launch system

表1 彈射系統(tǒng)部分裝置尺寸

Tab.1 Parameters of the launch system單位：mm

參數(shù)直徑長度藥柱內(nèi)徑20260藥柱外徑40260燃?xì)獍l(fā)生器150280發(fā)射筒3865 300

彈射系統(tǒng)仿真模型基本假設(shè)為：

1)彈射系統(tǒng)內(nèi)部的燃?xì)鈿怏w為理想氣體；

2)燃?xì)獍l(fā)生劑在整個反應(yīng)過程中為固態(tài)，不考慮相變影響；

3) 各材料的物性參數(shù)為常量，不隨溫度變化；

4)忽略裝藥、殼體等的燒蝕情況；

5)燃?xì)饬鲃邮堑褥氐?，不計摩擦及黏性損失；

6)燃?xì)鉃閮鼋Y(jié)氣體，流動過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

7)彈體簡化為一有質(zhì)量的壁面；

8)彈體運動過程的摩擦力設(shè)為0.3個重力值；

9)彈體頂部壓強為恒值，即大氣壓強。

彈射系統(tǒng)仿真模型邊界條件：

單根藥柱質(zhì)量入口邊界質(zhì)量通量

(1)

式中r為產(chǎn)氣藥劑燃燒速度。一般來說，藥劑的燃速與藥劑本身參數(shù)及藥柱內(nèi)燃燒壓強有關(guān)，燃燒公式可表示為：①r=a+bp；②r=a·pn;③1/r=a/p+b/p(1/3)，經(jīng)比較，②中指數(shù)式燃速公式擬合得到的殘差最小，③次之，①中的線性燃速擬合得到的殘差最大，說明用指數(shù)式來描述燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)氣藥劑的燃速規(guī)律較為合理[20-21]。

移動及變形邊界：隨著藥柱的燃燒，其內(nèi)部空間逐漸變大，故質(zhì)量入口邊界設(shè)置為動邊界，與其相連的左、右側(cè)壁面為變形邊界。隨著發(fā)射筒內(nèi)壓強的上升，彈體會隨之運動，故彈體壁面為運動邊界，且彈體在運動過程中具有與發(fā)射筒內(nèi)壓強相關(guān)的加速度。同時，發(fā)射筒側(cè)壁面為變形邊界。

interface邊界：藥柱與燃?xì)獍l(fā)生器，燃?xì)獍l(fā)生器與發(fā)射筒等空間內(nèi)重合邊界設(shè)為interface邊界。

1.2.1 仿真模型所用藥劑設(shè)計

為達(dá)到彈射系統(tǒng)驅(qū)動裝置對產(chǎn)氣藥劑低溫、低污染、燃速可調(diào)的要求，聯(lián)合在此方面具有深入研究的湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，為本研究開發(fā)了一種燃燒溫度、壓強指數(shù)及固體殘渣等都較低的燃?xì)獍l(fā)生劑作為動力能源材料[22-23]，其燃燒性能參數(shù)如表2所示。

表2 藥劑燃燒性能

經(jīng)計算，藥劑燃燒后的物質(zhì)主要成分如下(單位mol)：

H2:12.43；H2O:6.40；HCl:2.64；N2：9.14；NH3:0.005；CO：4.53；CO2:6.49；CH4：1.77；FeCl2:0.03；Fe2Cl4:0.004；KC:3.45；KFeO:0.27，污染腐蝕成分所占百分比為5.6%，固體成分所占百分比為8%。

在仿真模型中藥柱燃燒產(chǎn)生的混合氣體視為具有相同物化特性的理想氣體，其性能參數(shù)如表3所示。

表3 氣體參數(shù)

1.2.2 藥柱尺寸設(shè)計與燃燒測試

彈射系統(tǒng)產(chǎn)氣藥柱尺寸設(shè)計如圖3所示，為測試藥柱的燃燒狀況及其配套組件強度設(shè)計是否合理，便于后續(xù)深化設(shè)計及整體仿真，故進(jìn)行藥柱燃燒實驗，實驗所用直列式點火器[24-25]是國家重點實驗室為本研究制作，該種點火器作用迅速、安全性好、可靠性高。實驗前后的實驗裝置如圖4所示，由圖4可知，實驗后，堵蓋打開，殼體等配套組件完好，殼體內(nèi)部基本無殘渣，這說明產(chǎn)氣藥劑的性能良好、燃燒室及配套組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理，可進(jìn)行下一步多藥柱設(shè)計與實驗。

圖3 藥柱尺寸Fig.3 Grain parameter

圖4 藥柱燃燒實驗裝置Fig.4 Experimental device of grain combustion

1.2.3 多燃燒室藥柱設(shè)計與獨立性測試

為達(dá)到彈射系統(tǒng)變推力的目的，設(shè)計燃?xì)獍l(fā)生器包含多個可獨立作用的燃燒室，每個燃燒室里的藥柱配備一個直列式點火器，每個點火器都由時序控制裝置控制其點火時間。測試實驗以包含3個燃燒室的燃?xì)獍l(fā)生器為例，測試容器如圖5所示。測試實驗中僅使一個點火器點火，點燃與其相連的燃燒室產(chǎn)氣藥柱，觀察另外裝填的2個燃燒室的情況。經(jīng)觀測，實驗結(jié)束后在3根裝藥中，被點燃的那根藥柱成功作用，另外2個燃燒室裝藥并未被其影響，燃燒室外殼和堵蓋等組件亦都保存完好，具體情況如圖6所示。由此可知，燃?xì)獍l(fā)生器里的多根藥柱擁有獨立作用的能力，可通過調(diào)整控制裝置控制不同藥柱的作用時序，達(dá)到變推力輸出的目的。

圖5 多藥柱獨立性測試容器Fig.5 Test container of multi-grains independence

圖6 多藥柱獨立性測試實驗的藥柱情況Fig.6 Grain situation in the independence test of multi-grains

2 彈射系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

以包含3個獨立燃燒室的燃?xì)獍l(fā)生器為動力裝置的彈射系統(tǒng)為例，通過調(diào)整3個燃燒室的作用狀況，可以實現(xiàn)不同情況下的發(fā)射要求。下面就兩種藥柱作用情況進(jìn)行討論, 分別是單個燃燒室藥柱作用，多個燃燒室藥柱聯(lián)合作用。

2.1 單燃燒室作用

取彈體質(zhì)量分別為600 kg，800 kg以及1 000 kg，分析彈體底部壓強、彈體速度、彈體位移隨時間的變化情況。其中，仿真所得壓強為發(fā)射筒內(nèi)靠近彈體處所測面平均壓強。由圖7可知，當(dāng)單個燃燒室作用時，隨著彈體質(zhì)量的增加，發(fā)射筒內(nèi)靠近彈體底部處的壓強峰值逐漸增大，但達(dá)到峰值的時間卻在后移，相同時刻彈體的速度反而減小，且彈體質(zhì)量越大，其在發(fā)射筒出口處的速度越小，到達(dá)發(fā)射筒出口處的時間也越長。

2.2 多個燃燒室聯(lián)合作用

取彈重為600 kg，當(dāng)燃燒室作用個數(shù)為n(n=1，2，3)時，分析多個燃燒室藥柱同時作用彈體底部壓強、彈體速度、彈體位移隨時間的變化情況。如圖8所示，隨著燃燒室作用個數(shù)的增加，發(fā)射筒內(nèi)靠近彈體底部處的壓強峰值逐漸增大，達(dá)到峰值的時間也在前移，相同時刻彈體的速度亦隨之增加，且作用個數(shù)越多，彈體在發(fā)射筒出口處的速度越大，其到達(dá)發(fā)射筒出口處的時間也越短。

然而隨著燃燒室數(shù)量的增加，發(fā)射筒內(nèi)的壓強亦會隨之增加到超過發(fā)射筒可承受的范圍，對發(fā)射筒及彈射系統(tǒng)內(nèi)其他相連部件造成損害，故需對燃燒室的作用時序進(jìn)行調(diào)整。以下面5種不同的作用時序為例，分析不同的時序組合對彈體底部壓強、彈體速度、彈體位移等的影響，其中t1，t2，t3分別為每個燃燒室藥柱開始燃燒的時間，5種組合可表示為：a：t1=t2=t3=0 s；b：t1=0，t2=0.1 s，t3=0.2 s;c：t1=0 s，t2=0.15 s，t3=0.2 s;d：t1=0 s，t2=t3=0.2 s;e：t1=t2=0 s，t3=0.2 s。仿真結(jié)果如圖9所示。a種組合為3個燃燒室同時作用，發(fā)射筒內(nèi)的壓強只有一個高峰，且其峰值為所有組合中的最高值，約為1.18 MPa；b種組合后2個燃燒室里的藥柱與第一個燃燒室藥柱的作用時間間隔都為0.1 s，此種情況下發(fā)射筒內(nèi)的壓強也只有一個高峰，但在其峰值左右壓強較為平穩(wěn)，其峰值約為0.77 MPa；c 種組合后2個燃燒室藥柱與第一個燃燒室藥柱作用時間間隔分別為0.15 s和0.2 s，此種情況下發(fā)射筒內(nèi)的壓強亦只有一個高峰，其峰值約為0.82 MPa；d種組合后2個燃燒室藥柱與第一個燃燒室藥柱作用時間間隔都為0.2 s，發(fā)射筒內(nèi)的壓強擁有2個高峰，且2個峰值俱為0.63 MPa左右，2個峰值之間的壓強波動較為平穩(wěn)，這種情況下對發(fā)射筒內(nèi)壁結(jié)構(gòu)影響最小，其安全性與可靠性也最高；e種組合為前2個燃燒室藥柱同時作用，第3個燃燒室藥柱與其間隔時間為0.2 s，此種情況與a種組合情況類似，發(fā)射筒內(nèi)的壓強也只有一個高峰，且其峰值僅次于a種組合的峰值，約為0.9 MPa。

故在所有組合中，a種和e種組合發(fā)射筒內(nèi)的壓強峰值較高，彈體到達(dá)發(fā)射筒出口處的速度也較大，所用時間亦較短； b種和d種組合壓強波動情況較平穩(wěn)，彈體到達(dá)發(fā)射筒出口處的速度較小，所用時間較長；c種組合的情況介于上述兩者之間?？筛鶕?jù)不同的發(fā)射要求，靈活地選擇各種適合的組合進(jìn)行發(fā)射。

圖7 單根藥柱作用于不同質(zhì)量彈體仿真所得曲線Fig.7 Simulation curves of a single grain acting on different projectile weights

圖8 同一彈體多藥柱同時作用仿真所得曲線Fig.8 Simulation curves of a specific projectile acted by multi-grains

圖9 同一彈體三根藥柱不同作用時序仿真所得曲線Fig.9 Simulation curves of a specific projectile acted by three columns with different action sequences

3 結(jié)語

由實驗及仿真結(jié)果可知，本燃?xì)獍l(fā)生器所用藥劑燃燒性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)控簡易，各燃燒室可單獨作用，可為彈射系統(tǒng)提供所需推力。通過對彈體質(zhì)量、裝藥數(shù)量以及其作用時序的調(diào)整，可以調(diào)節(jié)發(fā)射筒內(nèi)部壓強、彈體的出口速度和到達(dá)發(fā)射筒出口所用的時間，合適的裝藥數(shù)量和作用時序可為彈體提供適當(dāng)?shù)耐屏统隹谒俣?。這種變推力發(fā)射技術(shù)極大地減少了發(fā)射前的準(zhǔn)備工作，增加了發(fā)射系統(tǒng)的實用性，提高了作用裝置的安全性與可靠性，可廣泛地應(yīng)用于實戰(zhàn)。