王立武, 趙 昆, 馮曉柏, 劉 沛, 林志遠(yuǎn)

(中國(guó)航天科技集團(tuán)第四研究院第41研究所, 西安 710025)

縮短短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間方法*

王立武, 趙 昆, 馮曉柏, 劉 沛, 林志遠(yuǎn)

(中國(guó)航天科技集團(tuán)第四研究院第41研究所, 西安 710025)

為了獲得縮短短時(shí)間工作固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的方法,建立了短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程瞬態(tài)模型,確定了影響發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)鍵因素。采用理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,分析了燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的影響。結(jié)果表明,通過(guò)合理設(shè)計(jì)燃燒室裝藥結(jié)構(gòu),縮短推進(jìn)劑燃燒階段的時(shí)間,可以有效縮短短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間。

裝藥結(jié)構(gòu);短時(shí)間工作;固體發(fā)動(dòng)機(jī);點(diǎn)火時(shí)間

0 引言

在導(dǎo)彈的級(jí)間分離環(huán)節(jié),為提高分離可靠性,廣泛采用短時(shí)間、大推力小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為分離提供動(dòng)力[1]。導(dǎo)彈總體對(duì)此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間及點(diǎn)火時(shí)間同步性提出了苛刻的要求,一般要求同鍋裝藥同溫條件下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間為幾十毫秒,不同發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間相差僅幾毫秒。因此,如何更好更有效縮短此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間是亟待解決的問(wèn)題。

短時(shí)間工作固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間指從點(diǎn)火器接受爆轟開(kāi)始計(jì)算,到發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到80%平均推力的時(shí)間間隔。發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程十分復(fù)雜,影響點(diǎn)火時(shí)間的因素較多,目前沒(méi)有針對(duì)短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程的專(zhuān)門(mén)研究。

文中采用理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,建立了短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程瞬態(tài)模型,確定了影響發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)鍵因素,獲得了縮短發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的有效途徑。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)模型

1.1 短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程分析

短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)的推力-時(shí)間和壓強(qiáng)-時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖1,在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中,工作壓強(qiáng)經(jīng)歷一個(gè)初始?jí)簭?qiáng)峰值后下降,隨后壓強(qiáng)不斷上升。第一個(gè)壓強(qiáng)峰是點(diǎn)火器燃?xì)膺M(jìn)入燃燒室引起的,隨后的壓強(qiáng)上升是推進(jìn)劑開(kāi)始燃燒導(dǎo)致的。此外,第一個(gè)壓強(qiáng)峰值后的某一時(shí)刻,發(fā)動(dòng)機(jī)推力從零開(kāi)始上升,表明噴管堵蓋已經(jīng)打開(kāi),t0時(shí)刻即是堵蓋打開(kāi)時(shí)間。

短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程見(jiàn)圖2,可以分為4個(gè)階段:點(diǎn)火延遲階段,點(diǎn)火器發(fā)火階段,點(diǎn)火器點(diǎn)火階段,推進(jìn)劑燃燒階段。1)點(diǎn)火延遲階段:從點(diǎn)火器接受爆轟開(kāi)始至點(diǎn)火器開(kāi)始發(fā)火(0～ty);2)點(diǎn)火器發(fā)火階段:從點(diǎn)火器發(fā)火開(kāi)始至點(diǎn)火器工作結(jié)束(ty～tg);3)點(diǎn)火器點(diǎn)火階段:從點(diǎn)火器發(fā)火結(jié)束至燃燒室裝藥開(kāi)始燃燒(tg～tx);4)推進(jìn)劑燃燒階段:從燃燒室裝藥開(kāi)始燃燒至發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到80%平均推力(tx～t)。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)模型推導(dǎo)

短時(shí)間工作固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程,發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的燃?xì)庾裱|(zhì)量守恒定律[2-3]。加入燃燒室通道的燃?xì)赓|(zhì)量有兩個(gè)來(lái)源:一個(gè)是點(diǎn)火器產(chǎn)生的點(diǎn)火燃?xì)赓|(zhì)量;另一個(gè)是燃燒室裝藥燃燒所產(chǎn)生的燃?xì)赓|(zhì)量。得質(zhì)量守恒方程為:

(1)

文中試驗(yàn)均采用藥包式點(diǎn)火器,認(rèn)為點(diǎn)火藥氣體質(zhì)量速率是時(shí)間的函數(shù),即:

(2)

燃燒室裝藥的氣體質(zhì)量生成率為:

(3)

式中:ρp為推進(jìn)劑的密度;fb(t)為已點(diǎn)燃推進(jìn)劑的面積;r為推進(jìn)劑的平均燃速。

噴管出口燃?xì)饬鞒龅馁|(zhì)量速率可以用式(4)表示[4-7]:

(4)

式中:P0為堵蓋打開(kāi)壓強(qiáng);Pc為工作壓強(qiáng);At為噴管喉部面積;C*為特征速度。

(5)

式中:ρc為燃燒室內(nèi)氣體密度;Vc為燃燒室的自由容積。

在小型固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程中,可以認(rèn)為初始容積Vc不變,燃燒產(chǎn)生的氣體符合理想氣體狀態(tài)方程P=ρRT[8],則有:

(6)

將式(2)～式(6)代入式(1),再?gòu)?到t對(duì)時(shí)間積分,得到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)模型:

(7)

1.3 縮短發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的方法分析

然而,過(guò)度減少自由容積將導(dǎo)致燃燒室通氣參量設(shè)計(jì)不合理,堵蓋打開(kāi)壓強(qiáng)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)飆升,刻意減少?lài)姽芎韽綄?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)增大,增大點(diǎn)火藥量會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)初始?jí)簭?qiáng)過(guò)高。因此,降低點(diǎn)火時(shí)間最可取的方法就是從燃燒室裝藥著手,優(yōu)化燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從而有效縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間。

燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)與點(diǎn)火器燃?xì)夂屯七M(jìn)劑表面的換熱情況密切相關(guān),直接影響點(diǎn)火器點(diǎn)火階段和推進(jìn)劑燃燒階段。因此,從燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手縮短點(diǎn)火時(shí)間,就是對(duì)燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)提高點(diǎn)火器燃?xì)馀c推進(jìn)劑之間的換熱效果,縮短點(diǎn)火器點(diǎn)火階段和推進(jìn)劑燃燒階段的時(shí)間,從而有效縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同裝藥結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了兩種不同裝藥結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī),用來(lái)研究通過(guò)燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)縮短固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的可行性。燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)分別為翼柱形和套管形,發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#,共4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),每種藥形結(jié)構(gòu)各2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。

翼柱形裝藥為“后翼+內(nèi)孔”,套管形裝藥為“內(nèi)外管形”,見(jiàn)圖3。與“后翼+內(nèi)孔”裝藥結(jié)構(gòu)相比,文中“內(nèi)外管形”裝藥結(jié)構(gòu)在點(diǎn)火過(guò)程中推進(jìn)劑與點(diǎn)火器燃?xì)庵g的換熱效果更好,若上述理論分析正確,則“內(nèi)外管形”裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間更短。

為了排除其它因素對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的影響,兩種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室裝藥均選擇丁羥三組元推進(jìn)劑;燃燒室自由容積Vc基本相同;點(diǎn)火器均采用藥包式點(diǎn)火器,點(diǎn)火器的點(diǎn)火藥量相同,點(diǎn)火器均安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)頭部,試驗(yàn)過(guò)程中均采用單路點(diǎn)火。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)上述4臺(tái)不同裝藥結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集工作壓強(qiáng)和推力隨時(shí)間的變化,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?1#和2#發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間分別為19.2 ms和23.2 ms,平均點(diǎn)火時(shí)間21.2 ms;3#和4#發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間分別為13 ms和13.5 ms,平均點(diǎn)火時(shí)間13.25 ms,與“內(nèi)外管形”裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間相比,“后翼+內(nèi)孔”裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均點(diǎn)火時(shí)間縮短7.95 ms,縮短了37.5%。

試驗(yàn)結(jié)果還表明,兩種發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火延遲階段的時(shí)間基本相同(約1 ms),點(diǎn)火器發(fā)火階段的時(shí)間基本相同(約0.5 ms),但是兩種發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器點(diǎn)火階段和推進(jìn)劑燃燒階段的時(shí)間差別較大,這也是導(dǎo)致兩種裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間相差較大的原因。同時(shí)可以看出,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間起主導(dǎo)作用的是點(diǎn)火器點(diǎn)火階段和推進(jìn)劑燃燒階段。

因此,燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)是影響短時(shí)間工作固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的主因之一,通過(guò)合理設(shè)計(jì)燃燒室裝藥結(jié)構(gòu),改善點(diǎn)火器燃?xì)馀c推進(jìn)劑之間的換熱效果,縮短點(diǎn)火器點(diǎn)火階段和推進(jìn)劑燃燒階段的時(shí)間,可以有效縮短短時(shí)間工作固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間。

表1 不同裝藥結(jié)構(gòu)燃燒室的點(diǎn)火時(shí)間

3 結(jié)論

通過(guò)文中的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,可以得出以下結(jié)論:

1)短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程可以分為4個(gè)階段:點(diǎn)火延遲階段,點(diǎn)火器發(fā)火階段,點(diǎn)火器點(diǎn)火階段,推進(jìn)劑燃燒階段。

2)建立了短時(shí)間工作固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程的瞬態(tài)模型,確定了影響發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)鍵因素。

3)燃燒室裝藥結(jié)構(gòu)是影響固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的主因之一,通過(guò)合理設(shè)計(jì)燃燒室裝藥結(jié)構(gòu),縮短點(diǎn)火器點(diǎn)火階段和推進(jìn)劑燃燒階段的時(shí)間,可以有效縮短短時(shí)間工作固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間。

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MethodforShorteningtheIgnitionTimeofShortTimeWorkingEngine

WANG Liwu, ZHAO Kun, FENG Xiaobai, LIU Pei, LIN Zhiyuan

(The 41st Institute of the Fourth Academy, CASC, Xi’an 710025, China)

In order to obtain the method for shortening the ignition time of short time working engine, a transient model for the ignition of a short time working engine was established, and the critical factors affecting engine ignition time were confirmed. The effect of combustion loading structure on igniting time was analysized by combining theoretical analysis with experimental verification. The results showed that through reasonable design of combustion chamber loading structure, the time of propellant combustion was shortened, which could effectively shorten the ignition time of short time working engine.

loading structure; short time working; solid rocket motor; ignition time

V435

A

2016-09-05

王立武(1989-),男,遼寧葫蘆島人,碩士,研究方向:固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研究。