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某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒仿真分析與試驗(yàn)①

2018-05-11 09:12:06王占利李鵬飛王牧昕
固體火箭技術(shù) 2018年2期
關(guān)鍵詞:聲腔推進(jìn)劑火箭

李 娟,王占利,王 棟,李鵬飛,王牧昕

(中國(guó)航天科工集團(tuán)公司六院210所,西安 710065)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)聲不穩(wěn)定燃燒是燃燒過(guò)程與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔中的聲學(xué)過(guò)程相互作用的結(jié)果[1-5]。針對(duì)高裝填系數(shù)、大長(zhǎng)徑比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,各單位都開(kāi)展了相關(guān)研究,典型代表為以西北工業(yè)大學(xué)為首的高等院校針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象開(kāi)展了大量的理論分析[6-10],主要是依托流場(chǎng)仿真工具、聲渦耦合流場(chǎng)計(jì)算以及近年來(lái)提出“細(xì)觀模型”概念而開(kāi)展的燃燒穩(wěn)定性機(jī)理的研究;另一派以工程研制單位為代表的航天工業(yè)科研院所針對(duì)具體研制型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,形成的一套解決不穩(wěn)定燃燒的工程措施[5]。

目前,主要的解決方向主要是三類(lèi):一類(lèi)是修改藥柱結(jié)構(gòu)以改變?nèi)紵衣暻坏墓逃蓄l率,避開(kāi)推進(jìn)劑容易響應(yīng)的頻段;第二類(lèi)是修改發(fā)動(dòng)機(jī)尾部結(jié)構(gòu)、噴管型面等以增大發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)阻尼,降低不穩(wěn)定燃燒發(fā)生的可能性;第三類(lèi)主要是從推進(jìn)劑配方著手,通過(guò)調(diào)整推進(jìn)劑配鋁粉含量和AP的級(jí)配等降低推進(jìn)劑的響應(yīng)函數(shù),從而降低推進(jìn)劑對(duì)壓強(qiáng)的響應(yīng)幅度。

上述三種主流的方法各自有優(yōu)缺點(diǎn),其中第一類(lèi)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的能量要求,藥型結(jié)構(gòu)不可能發(fā)生大幅變化,以犧牲裝填系數(shù)換取燃燒穩(wěn)定,只能有限的改變聲腔結(jié)構(gòu);第二類(lèi)由于發(fā)動(dòng)機(jī)外形限制及重量要求,改變的幅度有限,阻尼效果也有限;第三類(lèi)推進(jìn)劑配方由于組分和級(jí)配對(duì)響應(yīng)函數(shù)的敏感度較弱以及測(cè)試的波動(dòng)等多種因素,產(chǎn)生的效果有限,最終通過(guò)大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng),以損失發(fā)動(dòng)機(jī)能量為代價(jià),解決燃燒穩(wěn)定性。由于上述各方面的限制以及各自優(yōu)缺點(diǎn),有時(shí)候需要通過(guò)綜合治理的方式進(jìn)行解決。

本文主要是針對(duì)第一類(lèi)解決方案,通過(guò)聲腔頻率計(jì)算,對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象進(jìn)行分析,找出原因后,進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)藥型的改進(jìn),改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)地面試驗(yàn)增加脈沖觸發(fā),驗(yàn)證其未出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。

1 脈沖觸發(fā)器對(duì)不穩(wěn)定燃燒的驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)論:安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端的脈沖裝置產(chǎn)生約為發(fā)動(dòng)機(jī)平均壓力10%~15%的壓力波。這種脈沖發(fā)生器對(duì)于觸發(fā)線性穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向波型不穩(wěn)定非常有效。

該文用來(lái)研究藥柱形狀對(duì)不穩(wěn)定燃燒的影響的發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1所示。除噴管部分外,所有發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)1193 mm,內(nèi)徑101 mm,總長(zhǎng)徑比(L/D)近似為12。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of the motor

該研究采用黑火藥作為脈沖觸發(fā)裝置的能量源,產(chǎn)生的壓力脈沖級(jí)別根據(jù)裝入的黑火藥質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)和發(fā)動(dòng)機(jī)自由容積的不同而不同。所使用的黑火藥質(zhì)量根據(jù)觸發(fā)脈沖發(fā)生器的時(shí)間確定,一般為300~500 mg。利用設(shè)計(jì)的觸發(fā)器,在無(wú)量綱時(shí)間為0.28時(shí)開(kāi)始脈沖,并觸發(fā)非線性振蕩,引起不穩(wěn)定特性。典型觸發(fā)不穩(wěn)定曲線見(jiàn)圖2。

根據(jù)國(guó)外研究結(jié)果,脈沖裝置產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)平均壓力10%~15%的壓力波對(duì)于觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定燃燒非常有效,借鑒上述國(guó)外的成功研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行觸發(fā)器的設(shè)計(jì)來(lái)研究發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒的影響因素,以解決發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。

圖2 典型觸發(fā)不穩(wěn)定曲線Fig.2 Typical curves of trigger instability

2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)現(xiàn)象

某型高裝填系數(shù)、大長(zhǎng)徑比單室雙推力發(fā)動(dòng)機(jī),推力比為4∶1,采用兩種不同燃速的推進(jìn)劑配方,結(jié)合燃面變化實(shí)現(xiàn),裝填系數(shù)0.82,長(zhǎng)徑比為9。該發(fā)動(dòng)機(jī)(1#發(fā)動(dòng)機(jī))地面試驗(yàn)過(guò)程中,由于某種原因的擾動(dòng),在0.06~0.13 s出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,其歸一化壓強(qiáng)-時(shí)間曲線及壓強(qiáng)-時(shí)間曲線的頻譜分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

(a)發(fā)動(dòng)機(jī)歸一化壓強(qiáng)-時(shí)間曲線

(b)試驗(yàn)曲線的頻譜分析圖3 1#發(fā)動(dòng)機(jī)歸一化試驗(yàn)曲線Fig.3 Normalized test curve of 1# motor

由圖3中1#發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)曲線可見(jiàn),在0.06~0.13 s時(shí)曲線出現(xiàn)明顯擾動(dòng),壓強(qiáng)抬高約11%,出現(xiàn)基頻為239.62 Hz的不穩(wěn)定燃燒,與發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率240 Hz一致,并出現(xiàn)4倍頻。

為對(duì)比分析1#發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,對(duì)上述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)聲場(chǎng)用ANSYS軟件進(jìn)行了聲腔頻率仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。1#發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻聲腔模態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。上述發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻的聲腔頻率與時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖4 1#發(fā)動(dòng)機(jī)一階~四階聲腔振型Fig.4 First order to fourth order acoustic modelshape of 1# motor

時(shí)刻/s00.060.180.250.420.670.96聲腔頻率/Hz244.5236.7232.4232.7236241.6246.6

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻的聲腔頻率與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the acoustic frequencyof the motor and the time

上述試驗(yàn)結(jié)果及理論分析說(shuō)明,1#發(fā)動(dòng)機(jī)在240 Hz發(fā)生不穩(wěn)定燃燒,1#發(fā)動(dòng)機(jī)在0.06~0.13 s聲腔頻率為240 Hz左右,與理論計(jì)算及聲腔頻率計(jì)算相吻合;此外,還說(shuō)明目前使用的推進(jìn)劑配方在涵蓋240 Hz頻率較寬的一個(gè)范圍內(nèi)容易對(duì)壓強(qiáng)產(chǎn)生響應(yīng)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化及聲腔模態(tài)分析

依據(jù)高裝填系數(shù)、大長(zhǎng)徑比發(fā)動(dòng)機(jī)抑制不穩(wěn)定燃燒的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),該發(fā)動(dòng)機(jī)在前期設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了文獻(xiàn)[5]中提到的減小噴管收斂角、圓滑過(guò)渡燃燒室尾端絕熱結(jié)構(gòu),以增加發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)阻尼的工程經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)在0.06~0.13 s仍出現(xiàn)的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,基于總體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量要求,在推進(jìn)劑配方不變的前提下,僅通過(guò)小幅更改發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的型腔結(jié)構(gòu)來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)聲腔的固有頻率,使發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率與目前推進(jìn)劑配方容易響應(yīng)的區(qū)域偏離,且不損失發(fā)動(dòng)機(jī)能量,來(lái)解決不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)為2#發(fā)動(dòng)機(jī)。為對(duì)比分析1#發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的2#發(fā)動(dòng)機(jī),進(jìn)行聲腔頻率計(jì)算,1#、2#發(fā)動(dòng)機(jī)聲腔頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,上述發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻的聲腔頻率與時(shí)間關(guān)系曲線如圖6所示。

表2 各發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻聲腔頻率比較

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻的聲腔頻率與時(shí)間的變化比較Fig.6 Relationship between the acoustic frequency andthe time of 1# motor and 2# motor

由表2結(jié)果可看出:

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)聲腔頻率隨工作時(shí)間存在先下降再上升的規(guī)律,與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果趨勢(shì)一致;

(2)1#發(fā)動(dòng)機(jī)在0.06~0.13s聲腔頻率為240 Hz左右,與理論計(jì)算及聲腔頻率計(jì)算相吻合;該聲腔頻率容易與推進(jìn)劑響應(yīng)發(fā)生不穩(wěn)定燃燒;且目前推進(jìn)劑在涵蓋240 Hz頻率較寬的一個(gè)范圍內(nèi)容易對(duì)壓強(qiáng)響應(yīng);

(3)優(yōu)化后的2#發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃燒室型腔結(jié)構(gòu)改變,發(fā)動(dòng)機(jī)聲腔頻率為210 Hz,比1#發(fā)動(dòng)機(jī)低20~30 Hz,與推進(jìn)劑容易響應(yīng)的頻率范圍發(fā)生偏離。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖觸發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的2#發(fā)動(dòng)機(jī)解決燃燒穩(wěn)定性的有效性,對(duì)1#發(fā)動(dòng)機(jī)和優(yōu)化后的2#發(fā)動(dòng)機(jī)依據(jù)第2章內(nèi)容設(shè)計(jì)合理的脈沖觸發(fā)器進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)證,增加脈沖觸發(fā)的試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖7~圖10所示。

圖7 1#發(fā)動(dòng)機(jī)歸一化壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.7 Normalized curve between pressure andtime of 1# motor

(a)第一次觸發(fā)

(b)第二次觸發(fā)圖8 1#發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻頻譜分析結(jié)果Fig.8 Results of frequency spectrum analysisof 1# engine at different times

發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)試驗(yàn)溫度/℃觸發(fā)施加時(shí)間/s觸發(fā)壓強(qiáng)比/%1#+600.20.6872#-400.20.618.812.7觸發(fā)壓強(qiáng)比:觸發(fā)后壓強(qiáng)增幅與觸發(fā)時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)的比值

圖9 2#發(fā)動(dòng)機(jī)歸一化壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.9 Normalized curve between pressure andtime of 2# motor

(a)第一次觸發(fā)

(b)第二次觸發(fā)圖10 2#發(fā)動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻頻譜分析結(jié)果Fig.10 Results of frequency spectrum analysisof 2# motor at different times

由圖7、圖8可看出,1#發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)在高壓段0.2 s、低壓段0.6 s增加兩次脈沖觸發(fā),其中高壓段增加8%的脈沖觸發(fā)后發(fā)生壓強(qiáng)擾動(dòng)一直維持至高壓段工作結(jié)束,并產(chǎn)生基頻、倍頻;低壓段增加7%的脈沖觸發(fā)后無(wú)不穩(wěn)定燃燒,與地面試驗(yàn)結(jié)果吻合。由圖9、圖10可看出,優(yōu)化后的2#發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)在高壓段0.2 s、低壓段0.6 s增加兩次脈沖觸發(fā),其中高壓段增加18.8%、低壓段增加12.7%的脈沖觸發(fā)后,高壓段、低壓段僅存在瞬間壓強(qiáng)擾動(dòng)后恢復(fù),無(wú)基頻、倍頻;未發(fā)生不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,說(shuō)明優(yōu)化后的2#發(fā)動(dòng)機(jī)能解決不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)相比于1#發(fā)動(dòng)機(jī),2#發(fā)動(dòng)機(jī)由于藥柱結(jié)構(gòu)改變了燃燒室內(nèi)的聲腔頻率,與推進(jìn)劑容易響應(yīng)的頻率范圍發(fā)生偏離;地面試驗(yàn)增加脈沖觸發(fā)后,未發(fā)生不穩(wěn)定燃燒,說(shuō)明優(yōu)化后的2#發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變能解決不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象;

(2)地面試驗(yàn)增加脈沖觸發(fā)可作為地面驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的一種有效手段。

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