隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)金屬膜片打開(kāi)壓強(qiáng)研究

李賽賽,余 陵,張 彤,卓長(zhǎng)飛,甘語(yǔ)懷

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院航空宇航系， 南京 210094； 2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用為火箭和導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置[1]。但是常規(guī)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑一旦點(diǎn)燃就無(wú)法終止，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多次啟停和點(diǎn)火，能量可控性較差。在避免大幅改動(dòng)燃燒室的前提下，針對(duì)此缺點(diǎn)，多脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)燃燒室級(jí)間隔離，每個(gè)隔離單元都有其獨(dú)立的點(diǎn)火裝置，合理控制點(diǎn)火延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)間歇提供推力，作為導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置可以較大提高其綜合性能和作戰(zhàn)能力[2-3]。

脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的隔離裝置分為隔艙式和隔層式，其中隔艙式是一種硬性隔離，隔板起到承壓、阻燃的作用[4]。隔艙金屬膜片式是包括金屬膜片和開(kāi)孔支撐件，膜片緊密貼在支撐件上，為了控制較小打開(kāi)壓強(qiáng)及膜片破裂尺寸，在面向Ⅰ脈沖一側(cè)設(shè)置缺陷槽，同時(shí)涂覆絕熱層。Ⅰ脈沖工作時(shí)保證Ⅱ脈沖燃燒室不受影響，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，Ⅱ脈沖工作，膜片可以快速打開(kāi)使燃?xì)馔ㄟ^(guò)。該隔離裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不限制裝藥形式、可靠性高。

國(guó)外對(duì)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)研究起步較早，現(xiàn)已有多種型號(hào)導(dǎo)彈武器應(yīng)用脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，如美國(guó)的愛(ài)國(guó)者-3導(dǎo)彈、以色列的巴拉克-8導(dǎo)彈、德國(guó)的LFK-NG導(dǎo)彈等[5-7]。國(guó)內(nèi)關(guān)森[8]、劉亞冰[9]等設(shè)計(jì)了一種陶瓷隔艙式脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了其受力情況。王春光[10]、劉偉凱[11]等對(duì)金屬膜片打開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。梅開(kāi)等[12]設(shè)計(jì)了一種塞子式的級(jí)間隔離裝置，通過(guò)水壓試驗(yàn)，測(cè)試了不同材料塞子的爆破壓力。孫娜[13]、陳子豪[14]等對(duì)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本文基于有限元軟件對(duì)隔艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了承壓受力仿真分析，通過(guò)改變建壓時(shí)間、膜片缺陷槽的深度探究了對(duì)膜片打開(kāi)時(shí)間與壓強(qiáng)的影響。

2 隔艙裝置結(jié)構(gòu)

2.1 裝置要求

隔離裝置是雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其大致安裝位置如圖1所示，安全可靠的具有單向開(kāi)啟功能隔離裝置是實(shí)現(xiàn)雙脈沖兩次點(diǎn)火工作的保障。

圖1 雙脈沖結(jié)構(gòu)示意圖

Ⅰ脈沖與Ⅱ脈沖工作壓強(qiáng)均為15 MPa，隔艙有如下要求：

1)Ⅰ脈沖工作時(shí)，膜片能夠承受燃?xì)鈮毫εc隔熱阻燃，保證Ⅱ脈沖燃燒室不受影響；

2)Ⅱ脈沖工作時(shí)，膜片能夠在較小壓強(qiáng)下快速打開(kāi)，保證燃?xì)馔ㄟ^(guò)；

3)膜片破裂能夠在較小尺寸，且支撐件直至工作結(jié)束不出現(xiàn)明顯變形。

2.2 金屬膜片材料選擇

適量的銅、鐵等合金元素與純鋁進(jìn)行配制，可以有效改變其化學(xué)或者物相，從而大幅度提高其性能。2A12鋁合金具有良好的機(jī)械性能，低密度、高強(qiáng)度的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。本文金屬膜片材料選擇2A12鋁合金，其材料參數(shù)如表1。

表1 2A12鋁合金性能參數(shù)

2.3 隔艙結(jié)構(gòu)

隔艙包括支撐件與金屬膜片，如圖2。支撐架材料選擇高強(qiáng)度45號(hào)碳鋼，楊氏模量216 GPa，泊松比0.3，強(qiáng)度極限800 MPa。支撐架主要的作用是為膜片在承受Ⅰ脈沖燃?xì)鈮毫r(shí)提供支撐作用，防止膜片破碎失效，在上面開(kāi)有一定形狀孔洞在金屬膜片承受壓強(qiáng)破碎時(shí)讓Ⅱ脈沖燃?xì)馔ㄟ^(guò)。膜片緊密貼在支撐件上，其中膜片朝向Ⅰ脈沖一側(cè)刻有缺陷槽，本文缺陷槽選用較為典型的“V”字型凹槽，呈星型分布，使其在Ⅱ脈沖工作時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)控制膜片破開(kāi)尺寸能夠滿(mǎn)足要求。其中在實(shí)際應(yīng)用中，支撐件以及金屬膜片Ⅰ脈沖一側(cè)都會(huì)預(yù)先做熱防護(hù)處理，涂覆一層較薄的絕熱層防止高溫燃?xì)鈱?duì)其產(chǎn)生破壞。本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)承受燃?xì)鈮毫Ψ治鲅芯浚雎粤私^熱層的影響。

圖2 支撐件、金屬膜片示意圖

3 數(shù)值仿真計(jì)算模型

利用Abaqus動(dòng)力顯示分析步對(duì)隔艙金屬膜片進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，模型約束為周端固定來(lái)模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際連接情況。對(duì)Ⅰ脈沖承壓模擬時(shí)加載恒定的峰值壓力查看結(jié)構(gòu)受力是否在其安全范圍內(nèi)。Ⅱ脈沖一側(cè)點(diǎn)火壓強(qiáng)近似為線(xiàn)性加載，經(jīng)過(guò)約40 ms左右至工作壓強(qiáng)15 MPa，整個(gè)加載過(guò)程較短，所以認(rèn)為初期燃?xì)馀c膜片來(lái)不及熱交換，模擬過(guò)程中只考慮壓強(qiáng)的影響。三維有限元模型如圖3所示，支撐架網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類(lèi)型為C3D8R，單元總數(shù)為9 448；膜片直徑D=57 mm，厚度為t=2 mm，缺陷槽長(zhǎng)度L=25 mm(6條從圓心發(fā)出且相等呈星型分布)，深度h=1 mm，寬度W=3 mm，網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類(lèi)型為C3D4，單元總數(shù)為38891。

圖3 三維有限元模型示意圖

4 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

4.1 Ⅰ脈沖仿真結(jié)果

由Mises第四強(qiáng)度理論，材料的屈服強(qiáng)度條件為

其中許用應(yīng)力[σ]=σb/n，式中σb為材料的強(qiáng)度極限，n為安全系數(shù)，本文分析校核時(shí)取值為1.5。則支撐架的許用應(yīng)力為533 MPa，金屬膜片的許用應(yīng)力為267 MPa。

對(duì)于Ⅰ脈沖主要是金屬膜片在支架的支撐作用下能否承受Ⅰ脈沖工作的燃?xì)鈮毫Σ⒈３肿陨斫Y(jié)構(gòu)的完整性。Ⅰ脈沖的工作壓強(qiáng)為15 MPa，綜合不定影響因素，模擬時(shí)加載16 MPa的恒定峰值壓力，隔艙結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示。

從圖4中可知，在16 MPa的壓力作用下，金屬膜片的最大應(yīng)力為180 MPa左右，支撐架結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位為十字支架的根部連接處，整個(gè)支架所受應(yīng)力為230 MPa左右，其中最大應(yīng)力為303 MPa。金屬膜片與支撐架所受應(yīng)力均在各自的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。支撐架的存在大大提高了較薄的金屬膜片的承壓能力，使得在膜片在Ⅰ脈沖較高的工作壓強(qiáng)下仍能保持其安全可靠的密封作用，保證Ⅱ脈沖燃燒室內(nèi)不會(huì)受到影響。

圖4 16 MPa下隔艙的應(yīng)力云圖

4.2 Ⅱ脈沖仿真結(jié)果

為了簡(jiǎn)化仿真計(jì)算，模擬Ⅱ脈沖承壓時(shí)忽略支撐架的影響。金屬膜片有限元模型如圖5所示。

圖5 金屬膜片有限元模型示意圖

Ⅱ脈沖開(kāi)始工作，燃燒室內(nèi)迅速增壓，金屬膜片受力開(kāi)始發(fā)生應(yīng)變。如圖6所示膜片承受Ⅱ脈沖工作壓強(qiáng)下的應(yīng)變?cè)茍D。膜片預(yù)制缺陷中心處首先出現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變集中， 2.1 ms到7.5 ms期間膜片中心處應(yīng)變集中逐漸升高，由于建壓速度太快，在燃燒室工作7.5 ms時(shí)膜片Mises等效應(yīng)力最大值已經(jīng)超過(guò)膜片的強(qiáng)度極限400 MPa，在文獻(xiàn)[15]中指出，此時(shí)膜片不會(huì)破裂，開(kāi)始進(jìn)入損傷出現(xiàn)的彈塑性變形階段。隨著燃燒室工作繼續(xù)加壓，膜片逐漸失去承壓能力，在8.2 ms時(shí)膜片中心處應(yīng)變集中即最大應(yīng)變達(dá)到0.030 5，膜片承壓能力幾乎完全消失，超過(guò)金屬膜片的斷裂應(yīng)變，開(kāi)始在中心處破裂。9.4 ms時(shí)膜片完全破裂打開(kāi)，且打開(kāi)裂紋基本沿著預(yù)先設(shè)置的缺陷槽，最后在六大塊的基礎(chǔ)上隨機(jī)破裂成諸多小破片，隨著燃?xì)獾牧鲃?dòng)參與燃燒，然后經(jīng)過(guò)Ⅰ脈沖燃燒室、噴管排出。

綜上可知，膜片在8.2 ms時(shí)已經(jīng)開(kāi)始破裂出現(xiàn)貫穿兩側(cè)的裂痕，此時(shí)受到得壓強(qiáng)載荷認(rèn)為金屬膜片的打開(kāi)壓強(qiáng)即3.075 MPa。

4.3 建壓速度對(duì)打開(kāi)壓強(qiáng)的影響

保持峰值壓強(qiáng)15 MPa不變，改變建壓速度探究其對(duì)膜片打開(kāi)壓強(qiáng)的影響。分別再取60 ms、80 ms、100 ms不同建壓時(shí)間，通過(guò)仿真得到不同建壓時(shí)間的金屬膜片打開(kāi)時(shí)間、壓強(qiáng)見(jiàn)表2。

圖6 膜片應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)以上4種不同建壓時(shí)間仿真結(jié)果繪制成曲線(xiàn)圖，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同建壓時(shí)間膜片打開(kāi)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線(xiàn)

由仿真結(jié)果可知，隨著建壓時(shí)間的增長(zhǎng)，膜片的打開(kāi)時(shí)間不斷增加，建壓時(shí)間每次增加20 ms，膜片打開(kāi)時(shí)間隨之增長(zhǎng)5 ms左右。在建壓時(shí)間變?yōu)?0 ms時(shí)，膜片打開(kāi)壓強(qiáng)比40 ms增大了0.4 MPa左右即3.4 MPa，但再隨著建壓時(shí)間的增大，80 ms、100 ms時(shí)膜片打開(kāi)壓強(qiáng)穩(wěn)定在3.4 MPa左右?guī)缀鯖](méi)有變化。

4.4 “V”型槽深度對(duì)打開(kāi)壓強(qiáng)的影響

為了進(jìn)一步研究其膜片打開(kāi)壓強(qiáng)，在上面建壓時(shí)間為40 ms仿真的基礎(chǔ)上選取4組不同凹槽深度的膜片，其余參數(shù)不變，不同深度膜片參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同深度膜片參數(shù)

分別對(duì)以上4組金屬膜片仿真，得到打開(kāi)壓強(qiáng)分別為3.375 MPa、3.075 MPa、2.85 MPa、2.663 MPa。以打開(kāi)壓強(qiáng)為P縱軸，凹槽深度h為橫軸繪制曲線(xiàn)如圖8所示。由圖可知，隨著膜片凹槽深度h的增加，打開(kāi)壓強(qiáng)不斷減小，打開(kāi)壓強(qiáng)P與h在一定范圍內(nèi)近似呈線(xiàn)性關(guān)系。因此，在確定了金屬膜片的直徑、厚度等尺寸后，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)設(shè)置合理的缺陷槽的深度h，控制膜片的打開(kāi)壓強(qiáng)在一定的范圍值。

圖8 凹槽深度h對(duì)打開(kāi)壓強(qiáng)的影響曲線(xiàn)

5 結(jié)論

1) 在達(dá)到膜片材料的屈服極限時(shí)，膜片不會(huì)失效破裂，隨著燃燒室不斷增壓，應(yīng)變達(dá)到材料的斷裂應(yīng)變0.025時(shí)，金屬膜片才開(kāi)始失去承壓能力出現(xiàn)裂紋。

2) 建壓時(shí)間越長(zhǎng)，金屬膜片的打開(kāi)時(shí)間變長(zhǎng)，膜片打開(kāi)壓強(qiáng)60 ms時(shí)比40 ms時(shí)增加了0.4 MPa，隨著建壓時(shí)間的增長(zhǎng)，打開(kāi)壓強(qiáng)穩(wěn)定在3.4 MPa。

3) 在較快的建壓條件下，厚度t=2 mm、凹槽深度h=1 mm的金屬膜片打開(kāi)壓強(qiáng)為3.075 MPa，且膜片裂痕首先出現(xiàn)在膜片應(yīng)力集中處，膜片的破裂痕跡幾乎沿著預(yù)先設(shè)置的缺陷槽，“V”型凹槽可以較好的控制金屬膜片的破裂尺寸。

4) 膜片的打開(kāi)壓強(qiáng)P隨著預(yù)置缺陷槽深度h的增加而線(xiàn)性減小，在一定范圍內(nèi)可以通過(guò)改變膜片凹槽的深度使打開(kāi)壓強(qiáng)達(dá)到燃燒室壓強(qiáng)的要求。