張 磊，阮文俊，王 浩

（南京理工大學(xué)，南京 210094）

單兵火箭燃?xì)馍淞髟肼曇种频膶?shí)驗(yàn)研究

張 磊，阮文俊，王 浩

（南京理工大學(xué)，南京 210094）

為了能夠有效抑制單兵火箭發(fā)射時(shí)的燃?xì)馍淞髟肼?，設(shè)計(jì)了液體水圓柱形平衡體安置在火箭發(fā)動機(jī)后面，對平衡體降噪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中利用壓電式傳感器測得了發(fā)射筒周圍的沖擊波超壓值，與沒加液體水平衡體實(shí)驗(yàn)測得的超壓值相比較，發(fā)現(xiàn)放液體水平衡體時(shí)在改進(jìn)發(fā)動機(jī)推力性能的同時(shí)，降低了整個(gè)觀測區(qū)域的噪聲，尤其是射流上游，起到了顯著的降噪效果，并分析了火箭燃?xì)馍淞髋c液體水平衡體相互作用的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對單兵火箭發(fā)射的噪聲防護(hù)問題研究提供了科學(xué)依據(jù)。

射流噪聲，液體平衡體，超壓值，降噪

0 引言

火箭燃?xì)馍淞髟肼暿腔鸺诎l(fā)射時(shí)的固有特征。燃?xì)馍淞鞒跗诰哂忻黠@的非穩(wěn)定性，由于其突發(fā)的高聲強(qiáng)和特殊的物理性質(zhì)，對周圍工作人員會造成較大的危害，同時(shí)對附近設(shè)備和環(huán)境造成很大干擾。深入認(rèn)識和研究燃?xì)馍淞髟肼暤男纬蓹C(jī)理以及測試技術(shù)，對燃?xì)馍淞髟肼暤念A(yù)測和控制都有著實(shí)際的意義。Gely［1］等對法國的運(yùn)載火箭燃?xì)馍淞髟肼曔M(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。Thomas和Kandula［2～4］通過試驗(yàn)驗(yàn)證了噴水能有效地抑制燃?xì)馍淞髟肼?，并討論了影響噴水降噪的關(guān)鍵因素。在國內(nèi)，張彬乾、姜正行［5］等通過大量試驗(yàn)研究了亞、超音速射流噪聲場的分布規(guī)律及影響因素，分析了射流噪聲源產(chǎn)生的機(jī)理，為后面研究射流噪聲抑制技術(shù)打下了基礎(chǔ)。徐悅、周旭［6］等分析了火箭燃?xì)馍淞髟肼暤臍鈩犹匦?，利用噴水試?yàn)探討了噴水對火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時(shí)燃?xì)獾膰娝翟胄Ч约坝绊憞娝翟氲囊蛩亍ｑR宏偉、劉禮軍［7］等對單兵火箭燃?xì)馍淞髟肼曔M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了燃?xì)馍淞髟肼暯鼒龅姆植家?guī)律，同時(shí)應(yīng)用小波變換方法處理燃?xì)馍淞髟肼晹?shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，本文以單兵火箭發(fā)射為背景，在發(fā)射器尾管里面放置降噪平衡體水罐，針對液體水與燃?xì)馍淞飨嗷プ饔煤竽苡行б种迫細(xì)馍淞髟肼曔M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并重點(diǎn)討論了在燃?xì)馍淞髋c液體平衡體相互作用的機(jī)理和影響液體平衡體降噪的重要因素。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

本實(shí)驗(yàn)是在地形開闊的空地上進(jìn)行的，濕度小于50%；環(huán)境溫度為24℃左右；風(fēng)速小于3級。實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的布置如圖1所示，主要實(shí)驗(yàn)裝置由發(fā)射筒、火箭發(fā)動機(jī)、液體水罐組成。單兵火箭武器是利用火箭發(fā)動機(jī)的推力原理，以其火藥燃?xì)庀蚝髧姵龅膭恿科胶鈴楊^向前的動量來使發(fā)射筒無后坐力的，因而發(fā)射器尾部噴管的燃?xì)馍淞髟肼暿菃伪鸺l(fā)射的主要噪聲?？紤]到人機(jī)工程問題，將3個(gè)噪聲傳感器布置在發(fā)射筒的側(cè)面，每個(gè)測試點(diǎn)相對發(fā)射筒末端中心點(diǎn)為原點(diǎn)徑向與軸向距離在圖中有明確表示。

實(shí)驗(yàn)中噪聲傳感器是采用壓電式Kistler系列傳感器，其集電荷放大器于一身，實(shí)驗(yàn)時(shí)主要采用211B4和211M150兩種型號的Kistler系列傳感器。記錄設(shè)備為JV5200瞬態(tài)記錄儀，A/D轉(zhuǎn)換分辨率14位，各通道獨(dú)立并行采樣。整個(gè)測試系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)點(diǎn)火信號觸發(fā)。

圖1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)分布圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2和圖4分別是在火箭發(fā)動機(jī)后面加液體水罐后和沒加液體水罐1#位置的燃?xì)馍淞髟肼暵晧簳r(shí)間曲線，圖3和圖5是對應(yīng)2#位置的燃?xì)馍淞髟肼暵晧簳r(shí)間曲線，從圖中曲線可以看到加液體水罐后在同一位置所測得的超壓峰值明顯要低于沒加液體水罐的，說明在火箭發(fā)動機(jī)后面加液體水罐可以有效地抑制火箭發(fā)射時(shí)的燃?xì)馍淞髟肼暋膱D中曲線也可以看出，加液體水罐后1#超壓峰值的變化大于2#的位置，說明在發(fā)射筒尾部1#位置的噪聲抑制程度比在發(fā)射筒側(cè)面2#位置的高，主要是由于沒加液體水罐時(shí)燃?xì)馍淞髟肼曉趥鞑ミ^程中衰減速度比較快，加液體水罐平衡體后，大量形成的水霧抑制了噪聲源的產(chǎn)生，燃?xì)馍淞髟肼曉趥鞑ミ^程中衰減速度相對變慢，因而在發(fā)射筒尾部的降噪效果更明顯。

在圖3曲線中除了一個(gè)最大峰值外，后面還出現(xiàn)了幾個(gè)較小的噪聲峰值，可能是因?yàn)樵跉庖合嗷プ饔眠^程中出現(xiàn)和液體水罐相關(guān)的新的寄生源項(xiàng)，比如燃?xì)庠谒系臎_擊噪聲、向外噴射液體水的分裂、液滴的不穩(wěn)定運(yùn)動等。而在圖5曲線中后面的幾個(gè)較小峰值是由于燃燒室內(nèi)的可燃物質(zhì)沒有到充分燃燒，在高溫高壓條件下，隨燃?xì)饬鲃拥饺紵彝?，受到湍流、射流火焰等因素的影響，這些可燃的火藥殘?jiān)谌紵彝獍l(fā)生二次燃燒，釋放大量的熱量引起爆燃，從而在尾噴管外引起沖擊波再次上升。

圖2 加液體水罐后1#位置后的噪聲聲壓信號

圖3 加液體水罐后2#位置后的噪聲聲壓信號

圖4 沒加液體水罐1#位置后的噪聲聲壓信號

圖5 沒加液體水罐2#位置后的噪聲聲壓信號

由上面的曲線圖可以看出，加液體水罐后所測得的噪聲聲壓信號曲線波動比較大，這是由于液體在強(qiáng)沖擊波作用下氣液兩相流場更為復(fù)雜?；鸺?xì)馍淞鳉鈩釉肼暿怯筛咚俚娜細(xì)馍淞髋c周圍的大氣劇烈混合而產(chǎn)生的。高速的燃?xì)馍淞髋c周圍相對靜止的大氣急劇混合時(shí)，會使得燃?xì)馍淞鬟吔鐚又行纬蓮?qiáng)烈的湍流脈動，而聲源的位置和強(qiáng)度將由湍流的脈動強(qiáng)度和湍流所在的區(qū)域加以決定。當(dāng)在火箭發(fā)動機(jī)后面加液體水罐后，高溫高壓高速的燃?xì)饩蜁?qū)動液體水向發(fā)射筒外噴射，在燃?xì)馀c液體水的相互作用過程中液體水開始破碎、霧化，氣液混合物的流型較為擴(kuò)散，如圖6所示。由于水霧的擴(kuò)散快、體積大等特點(diǎn)，有效地抑制了燃?xì)馍淞髟肼暤膫鞑ァ?/p>

圖6 燃?xì)馍淞黩?qū)動液體水向外噴射的形狀

霧化后的細(xì)小水滴與高溫高壓燃?xì)獾慕佑|面積增加，使得水的汽化速率加快，又由于液體粘性、表面張力、空氣阻力等因素的影響，液體水在噴射和霧化的同時(shí)，其運(yùn)動動速度在逐漸減小，燃?xì)獾臏囟纫仓饾u降低，從而使燃?xì)馍淞鬟吔鐚又械耐牧髅}動變?nèi)?。?xì)小的水滴也與激波相互作用，有效地阻礙了激波的傳播。

由Ffowcs Williams方法，射流噪聲的聲功率W～ρV3L2M5,其中ρ是射流流體的密度，V是射流的有效速度，L是射流的有效長度，說明射流噪聲功率與速度的三次方成正比。在發(fā)射器尾管放置液體水罐后，射流的環(huán)境和流場結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化。采用有限體積法，利用連續(xù)方程、動量方程和能量方程可以得到以下關(guān)系式：

uj2、Tj2是分別是燃?xì)馀c液體平衡體進(jìn)行摻混后的等效射流速度和等效射流溫度，η為液體水蒸發(fā)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mw為液體水的質(zhì)量，up為液滴的速度，F(xiàn)d為液滴的阻力。

其中：

液滴汽化分?jǐn)?shù)η的表達(dá)式為：

式中Np是控制體內(nèi)單位體積混合物的液滴數(shù)，CD為阻力系數(shù)，Rej1是燃?xì)馍淞鞯睦字Z數(shù)，Rep是液滴的雷諾數(shù)，Pr是燃?xì)獾钠绽侍財(cái)?shù)，Nu為液滴的努塞爾數(shù)，hfg為液體蒸發(fā)的汽化潛熱，Tje為等效傳熱氣體溫度，Tsat是液滴的飽和溫度。

通過上面兩個(gè)等式可以判斷出影響液體平衡體降噪的主要因素有液體水與燃?xì)獾馁|(zhì)量比、燃?xì)鉁囟?、液體水的霧化程度、液體水溫等，同時(shí)能得到燃?xì)馀c液體水平衡體摻混后的射流等效參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)能比較準(zhǔn)確地預(yù)估在發(fā)射筒尾管加液體平衡體的降噪效果。

3 結(jié)束語

通過本文的實(shí)驗(yàn)研究可以得到以下結(jié)論：

（1）火箭發(fā)動機(jī)的后噴燃?xì)馍淞髟肼暿菃伪鸺l(fā)射的主要噪聲源。

（2）火箭發(fā)動機(jī)后面加入液體水罐后，氣液混合射流噪聲在傳播過程中相對燃?xì)馍淞髟肼曀p速度相對較慢。

（3）火箭發(fā)動機(jī)后面加入液體水罐，在氣液相互作用過程中，首先，高溫高壓燃?xì)怛?qū)動液體水向外噴射，消耗了部分能量并轉(zhuǎn)化為液體水的動能；其次，液體水汽化也消耗了燃?xì)獾牟糠譄崮?，通過能量轉(zhuǎn)換吸收了噪聲，從而達(dá)到了降噪的目的。

［1］Gely D，Elias G，Bresson C.Reduction of Supersonic Jet Noise-Application to the Ariane 5 launch vehicle［R］. AIAA，2000：2026.

［2］Thomas D.Reductions in Multi-component Jet Noise by Water Injection［R］.AIAA，2004：2976.

［3］Kandula M,Michael J.Effective Jet Properties for the Estimation of Turbulent Mixing Noise Reduction by Water Injection［R］.AIAA，2007：3654.

［4］Kandula M.On the Scaling Laws for Jet Noise in Subsonic and Supersonic Flow［R］.AIAA，2003：3288.

［5］張彬乾，張正科.射流噪聲場特性的試驗(yàn)研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，11（4）：494-498.

［6］徐悅，周旭.火箭發(fā)動機(jī)燃?xì)馍淞鲊娝翟胙芯浚跩］.航空動力學(xué)報(bào)，2010，25（4）：816-820.

［7］劉禮軍.火箭導(dǎo)彈發(fā)射噪聲實(shí)驗(yàn)與抑制技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004.

［8］王秉義.槍炮噪聲與爆炸聲的特性和防治［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

［9］董師顏，孫思誠，張兆良,等.固體火箭發(fā)動機(jī)原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1982.

［10］張統(tǒng).航天發(fā)射污染控制［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

Experimental Study on Restraint of Individual Rocket Jet Noise

ZHANG Lei，RUAN Wen-jun，WANG Hao
（Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In order to restrain individual rocket jet noise effectively，the liquid water cylindrical counter-mass behind rocket engine is designed in this paper，experimental study on noise reducing for liquid counter-mass.In the canister launcher around，blast wave overpressure is measured by piezoelectric sensor.The results show that，under the premise of motor performance improvement，sound pressure level of engine jet noise is reduced in the whole observation region especially in the upstream，comparing with the result of no cylindrical counter-mass.And the interaction mechanism between rocket gas jet with liquid medium is analyzed.The experimental data serves as important reference to acoustical protection of individual rocket.

jet noise，liquid counter-mass，overpressure，noise reducing

TJ711

A

1002-0640（2015）07-0174-03

2014-04-05

2014-06-07

張 磊（1987- ），男，湖北仙桃人，在讀博士研究生。研究方向：火箭燃?xì)馍淞髟肼暋?/p>