石 瑞，王長輝，萇艷楠

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191)

0 引言

脈沖固體發(fā)動機是在燃燒室內(nèi)裝填隔離開的多個推進劑單元，而不分離燃燒室和尾噴管，用任意定時使各部分推進劑分別進行燃燒，產(chǎn)生多次推力控制的固體火箭發(fā)動機。把常規(guī)固體發(fā)動機的連續(xù)推力分配成多段，并控制各段推力的大小、持續(xù)時間和時間間隔，使得其具有射程遠(yuǎn)、突防能力強，以及彈道末段可進行推力矢量控制的優(yōu)點［1－2］。

通過隔板把各脈沖裝藥串置隔開，實現(xiàn)多次點火啟動，是目前脈沖固體發(fā)動機使用最廣、成熟度最高的技術(shù)方案。隔板是脈沖發(fā)動機的一項關(guān)鍵技術(shù)，隔板把燃燒室內(nèi)多段藥柱隔離開來，實現(xiàn)分別點火燃燒。隔板技術(shù)主要包括“噴射棒”隔板、陶瓷隔板、鋁膜隔板、柔性隔板層等幾種形式［2］。Nishii等［3］研究了脈沖發(fā)動機“噴射棒”隔板的應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］介紹了柔性隔板層技術(shù)應(yīng)用在AGM-69A導(dǎo)彈的雙脈沖發(fā)動機上。加拿大在陶瓷隔板脈沖發(fā)動機進行了較多研究，加拿大國防科學(xué)研究中心［5］和Birstol宇航公司［6］研制了陶瓷隔板試驗發(fā)動機，并進行了多次成功點火，設(shè)計的隔板滿足要求。德國完成了鋁膜隔板固體發(fā)動機的設(shè)計研究，鋁膜隔板由鋼支撐的熱絕緣結(jié)構(gòu)和鋁膜隔板構(gòu)成。德國BC/P公司研制的120 mm口徑的雙脈發(fā)動機進行了一系列點火試驗［7］。

文中針對固體火箭雙脈沖發(fā)動機要求，討論了鋁膜隔板及其組件的設(shè)計方法，對其進行了數(shù)值分析及試驗研究。

1 鋁膜隔板設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

隔板是脈沖固體發(fā)動機實現(xiàn)多次啟動的關(guān)鍵部件，其作用是分隔發(fā)動機燃燒室內(nèi)的2個脈沖藥柱，其位置如圖1所示。

圖1 鋁膜隔板在發(fā)動機中位置示意圖Fig.1 Aluminum clapboard position schematic diagram in the motor

一、二脈沖設(shè)計工作壓強均為7 MPa左右，鋁膜隔板及其支架右側(cè)為一脈沖的燃燒室，在一脈沖藥柱燃燒時，隔板能夠承受住燃燒室持續(xù)的壓力，并保證密封不漏氣，使之與左邊二脈沖藥柱隔絕;在一脈沖工作完成后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)拿}沖間隔，二脈沖藥柱點火，隔板在低于工作壓強時破裂，保證高溫燃?xì)饽苷Ａ鲃訃姵?。因此，鋁膜隔板要具備以下功能［8］:

(1)承受一脈沖燃燒室壓強的載荷不破裂，且有效密封一脈沖燃?xì)?

(2)二脈沖點火后，在較低壓強下可破裂，保證二脈沖正常工作;

(3)破裂后盡量不產(chǎn)生碎片，以免對發(fā)動機噴管等結(jié)構(gòu)造成破壞。

1.2 隔板材料

純鋁中加入合金元素配制鋁合金，可改變其組織結(jié)構(gòu)與性能，適宜制造各種機器零件。變形鋁合金具備優(yōu)良的冷、熱加工工藝性能，經(jīng)過熱處理的鋁合金力學(xué)性能得到顯著提高［9］。硬鋁合金2A12力學(xué)性能高，機械加工性能好，廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，同時硬鋁合金2A12取材方便。所以，鋁膜的材料選擇硬鋁合金2A12。圖2是硬鋁合金2A12的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖［10］。

1.3 隔板及其組件設(shè)計

為了滿足2個脈沖工作的要求，隔板組件由鋁膜、支架和壓板組成。支架和壓板的材料用45碳鋼。在真正的發(fā)動機中，所有的組件都會有熱防護層，支架的外面包覆有絕熱層，由于是包裹結(jié)構(gòu)，在高溫燃?xì)馔ㄟ^時，絕熱層能夠有效保護支架。但在冷流試驗中，沒有高溫燃?xì)?。所以，省去熱防護結(jié)構(gòu)。圖3是冷流試驗隔板及其組件示意圖。

圖2 硬鋁合金2A12應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 σ-ε curve of aluminum alloy 2A12

裝配中刻痕面朝向一脈沖燃燒室。為了實現(xiàn)二脈沖低壓破裂，在鋁膜隔板中增加刻痕降低隔板的強度，使得二脈沖工作時，隔板在承壓情況下，薄弱部位的應(yīng)力集中，或者應(yīng)變過大，導(dǎo)致鋁膜破裂。但增加刻痕的同時，也降低了隔板在一脈沖工況下的承載能力。因此，需在隔板的后面支架上增加支撐，支撐的位置和隔板的刻痕處相重合。在一脈沖工作時，隔板和支架一起提供所需的承載能力。在支架的結(jié)構(gòu)中，隔板不需支撐的部分被掏空，為二脈沖工作時燃?xì)馔ㄟ^提供需要的通道。

圖3 鋁膜隔板組件示意圖Fig.3 Sketch of the aluminum clapboard assemble

通過設(shè)計了一系列的隔板，來研究鋁膜隔板破裂的規(guī)律。具體參數(shù)如表1。

2 試驗裝置

如圖4所示，試驗采用冷流雙脈沖裝置，一、二脈沖集氣室內(nèi)徑180 mm。試驗工質(zhì)是氮氣。裝置由一、二脈沖集氣室和鋁膜隔板組件組成。一、二脈沖集氣室都有測壓口和進氣口。通過調(diào)節(jié)集氣室中的壓強來進行隔板密封、承壓以及破裂的試驗研究。

表1 隔板尺寸Table 1 Size of the clapboards mm

圖4 試驗雙脈沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of the dual-pulse test device

3 數(shù)值計算分析

3.1 計算模型

兩個脈沖壓強的升壓是極其短暫的，文獻(xiàn)［11］研究表明，動態(tài)應(yīng)力分析和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析得到的結(jié)果相差很小，穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果具有可信度。利用Ansys進行穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析，根據(jù)二脈沖的承載情況，可把隔板作為單獨的模型進行計算，與其他零件沒有接觸移動，隔板與壓板的裝配面位移設(shè)置為零;而對于一脈沖，隔板后面必須有支架的支撐，接觸部分受力后會有摩擦、有移動，是接觸問題分析，支撐架與集氣室的裝配面的位移設(shè)置為零。

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 一脈沖承壓計算

文獻(xiàn)［12］給出了45#碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，彈性模量是216 GPa，泊松比0.3，強度極限約為800 MPa。隔板的材料是硬鋁合金2A12，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，泊松比0.33。文獻(xiàn)［13］表示對于塑性材料，按照第四強度理論校核。該理論認(rèn)為，引起材料屈服的主要因素是畸變能，且不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達(dá)到材料單向拉伸屈服的畸變能密度，材料就發(fā)生屈服。按此理論，材料的強度條件為

許用應(yīng)力與極限應(yīng)力的關(guān)系為

式中 n為安全因素;對于塑性材料，n一般取值為1.5 ～2.2，σb為極限應(yīng)力。

由于試驗為冷流加壓試驗，沒有高溫和轉(zhuǎn)動，試驗環(huán)境良好，所以此處的n取值為1.5。因此，支架的許用應(yīng)力為530 MPa，隔板的許用應(yīng)力為300 MPa。

一脈沖的工作壓強在7 MPa左右，有效厚度為2.5 mm的隔板C，在壓強8.5 MPa下的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 隔板C在一脈沖壓力為8.5 MPa下的應(yīng)力圖Fig.5 Stress of clapboard C under 8.5 MPa in pulse one

隔板C是最薄的隔板，當(dāng)一脈沖壓力為8.5 MPa時，鋁膜隔板的最大應(yīng)力287 MPa。支架的危險部分是十字支架的中間連接部分以及十字支架與外圓連接處，此處大部分的應(yīng)力不超過400 MPa，最大的應(yīng)力值為514 MPa。從計算結(jié)果可看出，隔板和支架的應(yīng)力都在安全范圍之內(nèi)，能滿足一脈沖使用要求。

3.2.2 二脈沖破裂計算

雖然硬鋁合金為塑性材料，但按照脈沖發(fā)動機的要求，二脈沖時鋁膜隔板需要破裂，而不僅僅是屈服。由圖2可看出，在達(dá)到強度極限后，鋁合金2A12也沒有馬上斷裂。根據(jù)文獻(xiàn)［14］表1所列的常見斷裂準(zhǔn)則，二脈沖的計算用塑形準(zhǔn)則來判斷破裂問題，ε=0.028。

如圖6所示，隔板A在6 MPa壓強下，最大應(yīng)變出現(xiàn)在刻痕集中處，也就是整個隔板的中間。此時，應(yīng)變超過了0.028。隔板已開始破裂。所以，計算得出隔板A二脈沖下的破裂壓強約為6 MPa，見表2。

圖6 隔板A在6 MPa壓強下的應(yīng)變Fig.6 The strain of claoboard A under 6 MPa

表2 計算的破裂壓強Table 2 calculated pressure of broken

4 試驗結(jié)果分析

進行了4個隔板的試驗，尺寸如表1所示，隔板C試驗件如圖7所示，其余類似。所有隔板都是先進行一脈沖承壓試驗，先將一脈沖集氣室壓強升到高于7 MPa，并保持1 min左右后泄壓;然后，給二脈沖集氣室加壓，直到隔板破裂為止。通過測量2個集氣室的壓強來確定密封是否完好，一脈沖時隔板能否承壓。

圖7 隔板C試驗件Fig.7 Clapboard C

隔板C的一脈沖承壓試驗的壓強曲線如圖8(a)所示。一脈沖時，壓強逐漸升高到7.6 MPa，然后保持到60 s，然后泄壓。在整個過程中，二脈沖集氣室的壓強保持大氣壓不變。從試驗曲線可看出，隔板組件能夠承受住7 MPa的壓力，且密封良好。

隔板C二脈沖破裂試驗的壓強曲線如圖8(b)所示。當(dāng)壓強升高到5.2 MPa時隔板破裂，二脈沖集氣室中的氣體沖入到一脈沖集氣室中，使得一脈沖集氣室的壓強曲線突然升高;然后，2個集氣室壓強在一脈沖進氣口未封閉的情況下，共同下降到大氣壓。

破裂后的隔板如圖9所示，隔板像花瓣一樣炸裂，根據(jù)破裂情況的規(guī)則性，幾乎不會產(chǎn)生碎片，且在熱試的情況下，即便當(dāng)碎片產(chǎn)生時，噴管有硅橡膠等包覆的絕熱層保護，高溫燃?xì)饪裳杆偃诨X，從而提高推進劑的能量，滿足隔板破裂后不影響噴管等結(jié)構(gòu)的要求。

圖8 一、二脈沖集氣室壓強曲線Fig.8 Chamber pressure of the first and second pulse

圖9 破裂試驗后的鋁膜隔板C照片F(xiàn)ig.9 Photograph of breaking aluminum clapboard C

試驗表明，對于隔板A、B、C，刻痕處隔板的厚度均為1.5 mm，隨著隔板整體的厚度的減小，二脈沖的破裂壓強也隨之減小。圖10顯示，隔板的破裂開口隨著隔板整體厚度減小而增大。對于隔板B、D，刻痕深度均為1.5 mm，隨著刻痕處隔板厚度的增加，二脈沖的破裂壓強急劇增加，相差0.5 mm的BD隔板的破裂壓強相差2 MPa之多。可見，隔板最薄弱處的厚度對隔板的二脈沖破裂壓強有著決定性的影響，見表3。

表3 不同隔板的試驗結(jié)果Table 3 Results of different clapboards

圖10 試驗后的隔板Fig.10 Clapboards after the test

5 結(jié)論

(1)由壓板、鋁膜和支架組成的隔板組件在脈沖發(fā)動機中，能保證一脈沖的承壓和二脈沖的破裂。

(2)此組件在一脈沖時能有效密封保證一脈沖正常工作，且能在二脈沖低于工作壓強下破裂，保證二脈沖的正常工作。

(3)數(shù)值計算和試驗研究都表明，在隔板刻痕集中處，即隔板中心處最先破裂。整個隔板呈花瓣一樣炸開，不會對發(fā)動機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響。

(4)當(dāng)刻痕處隔板有效厚度相同時，二脈沖的破裂壓強隨著隔板整體厚度的增加而增加。0.5 mm的厚度會增加二脈沖的破裂壓強0.5 MPa左右。實驗結(jié)果顯示，破裂后開口的大小隨厚度的增加而減小。

(5)當(dāng)刻痕的深度一樣時，二脈沖的破裂壓強隨著刻痕處隔板厚度的增加急劇增加?？毯厶?.5 mm的厚度差導(dǎo)致了破裂壓強2 MPa之多。所以，刻痕處的隔板厚度對于隔板的二脈沖破裂壓強起著決定性的作用。

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