吳 秋,姬 錚,任全彬,陳林泉,張 明

(1 西北工業(yè)大學(xué), 西安 710072; 2 中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第41研究所, 西安 710025; 3 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710025)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)噴管在工作時(shí)受到高溫燃?xì)獾臎_刷,因此噴管非金屬材料多采用抗燒蝕、耐高溫的復(fù)合材料,開(kāi)展噴管溫度場(chǎng)及燒蝕分析,對(duì)提高噴管工作可靠性有著重要的作用,國(guó)內(nèi)外關(guān)于噴管溫度場(chǎng)及燒蝕變化的研究有很多[1-4],但研究?jī)?nèi)容均為針對(duì)常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管,針對(duì)組合推進(jìn)劑降低喉襯燒蝕的研究還處于起步階段[5],研究成果較少。

文中開(kāi)展高低燃溫組合推進(jìn)劑下的噴管熱結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)研究,使用流場(chǎng)計(jì)算的壁面溫度場(chǎng)為初始條件,計(jì)算在不同低燃溫推進(jìn)劑質(zhì)量含量下,噴管外壁面溫度的瞬態(tài)變化。同時(shí)開(kāi)展組合推進(jìn)劑下試驗(yàn)研究,通過(guò)測(cè)量噴管喉襯外壁面的溫度及喉襯燒蝕率,分析低燃溫推進(jìn)劑對(duì)噴管熱結(jié)構(gòu)及燒蝕的影響。為組合推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 組合裝藥下發(fā)動(dòng)機(jī)噴管熱結(jié)構(gòu)仿真分析

1.1 熱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

采用的噴管幾何模型如圖1所示,尺寸為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管尺寸,取噴管的四分之一作為計(jì)算域。噴管由金屬噴管殼體、收斂段、擴(kuò)展段、喉襯組成。外殼體材料為鋼,收斂段為碳布/酚醛復(fù)合材料,擴(kuò)張段為高硅氧/酚醛復(fù)合材料,喉襯為C/C復(fù)合材料。網(wǎng)格如圖2所示。表1列出計(jì)算噴管不同部件的物理性能參數(shù)。

表1 各材料的物性參數(shù)

圖1 噴管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 噴管殼體網(wǎng)格劃分

1.2 熱結(jié)構(gòu)結(jié)果分析

為了觀測(cè)外殼體上的溫度變化,取外殼體上的一點(diǎn),距離喉部前端的軸向距離為5 mm,記為點(diǎn)A,如圖3所示。將內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算的壁面溫度作為噴管熱結(jié)構(gòu)的初始值,采用瞬態(tài)計(jì)算,時(shí)間一共20 s。分別計(jì)算了3種工況,低燃溫推進(jìn)劑含量分別為0%,2%,6.8%,低燃溫推進(jìn)劑燃燒溫度為1 300 K,高燃溫推進(jìn)劑燃燒溫度3 450 K,總質(zhì)量流量為32.5 kg/s。在所有算例中,A點(diǎn)的初始溫度均設(shè)置為22 ℃。外壁面與空氣對(duì)流換熱系數(shù)取5 W/(m2·K)。下面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖4給出不同低燃溫推進(jìn)劑含量下A點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化曲線,隨著計(jì)算時(shí)間的增加,熱流逐漸傳遞到外表面,A點(diǎn)的溫度升高越來(lái)越快。當(dāng)計(jì)算時(shí)間為20 s時(shí),不含低燃溫推進(jìn)劑時(shí)A點(diǎn)的溫度已經(jīng)升高到65.2 ℃。

圖3 A點(diǎn)在殼體上的位置

圖4 不同低燃溫推進(jìn)劑含量時(shí)點(diǎn)A隨時(shí)間的溫度變化曲線

圖5～圖6分別給出了含0%、2%低燃溫推進(jìn)劑0 s、20 s時(shí)噴管壁面的瞬態(tài)溫度分布云圖,含2%、6.8%低燃溫推進(jìn)劑噴管壁面溫度云圖相似,噴管不同材料的導(dǎo)熱性不同,使得噴管結(jié)構(gòu)溫度呈現(xiàn)不同的變化。

圖5 含0%、2%低燃溫推進(jìn)劑0 s時(shí)噴管熱結(jié)構(gòu)的溫度云圖

圖6 含0%、2%低燃溫推進(jìn)劑20 s時(shí)噴管熱結(jié)構(gòu)的溫度云圖

2 組合推進(jìn)劑下復(fù)合噴管試驗(yàn)分析

2.1 組合推進(jìn)劑下噴管外壁面測(cè)試

開(kāi)展高低燃溫推進(jìn)劑組合試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究,推進(jìn)劑參數(shù)見(jiàn)表2,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7。在噴管外壁面布置4個(gè)測(cè)溫點(diǎn),測(cè)點(diǎn)位置分別在距喉部開(kāi)始位置前5 mm、后5 mm(A點(diǎn))、后10 mm及后20 mm處,具體位置見(jiàn)圖8,測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4分別對(duì)應(yīng)上述幾個(gè)位置。為了與純高燃溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比,設(shè)計(jì)2發(fā)試驗(yàn),記為1#、2#,分別使用組合推進(jìn)劑和純高燃溫推進(jìn)劑。

圖7 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 溫度測(cè)點(diǎn)位置圖

表2 推進(jìn)劑的性能參數(shù)

選取位于喉部位置的測(cè)點(diǎn)2進(jìn)行溫度比較,見(jiàn)圖9～圖10。圖11中t12曲線對(duì)應(yīng)計(jì)算時(shí)的A點(diǎn),對(duì)比兩臺(tái)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)2處的溫度,1#發(fā)動(dòng)機(jī)最高溫度為46.1℃,2#發(fā)動(dòng)機(jī)最高溫度為79.9℃,1#發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)2的溫度明顯低于2#發(fā)動(dòng)機(jī),低燃溫推進(jìn)劑有效的降低了推進(jìn)劑燃?xì)鈧鬟f給噴管的熱量。由于試驗(yàn)條件限制,僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了壓強(qiáng)測(cè)試,計(jì)算得到1#發(fā)動(dòng)機(jī)壓強(qiáng)沖量為124.1 MPa·s,2#發(fā)動(dòng)機(jī)壓強(qiáng)沖量為138.6 MPa·s,使用低燃溫推進(jìn)劑后,壓強(qiáng)沖量下降10.5%。

圖9 1#高低燃溫組合裝藥試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度曲線

圖10 2#純高溫推進(jìn)劑試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度曲線

圖11將使用含低燃溫推進(jìn)劑的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比較,從圖中看出,兩者數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致,但之間存在一定的偏差,這是仿真計(jì)算設(shè)置的參數(shù)與實(shí)際存在差異,如燃?xì)獗葻崛?、?dǎo)熱系數(shù)、密度質(zhì)量流量、溫度均是不斷變化的,綜合導(dǎo)致了仿真計(jì)算溫度和試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試溫度存在差異。

圖11 A點(diǎn)的計(jì)算值和試驗(yàn)值比較

2.2 組合推進(jìn)劑下噴管喉襯燒蝕

試驗(yàn)后對(duì)喉徑進(jìn)行4個(gè)象限的測(cè)量。表3給出了喉襯燒蝕率的對(duì)比結(jié)果,可以看出, 1#喉襯的燒蝕率要明顯低于2#喉襯, 2臺(tái)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯的平均燒蝕率分別為0.112 mm/s、0.133 mm/s,與純高燃溫的2#試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕率相比,1#試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯燒蝕率降低了15.8%。

表3 試驗(yàn)喉襯燒蝕率

圖12給出了試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕后的喉襯實(shí)物圖,從圖中可以看出,使用低燃溫推進(jìn)劑的1#發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯表面較光滑,而2#試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯則比較粗糙,存在燒蝕后的凹坑,說(shuō)明使用低燃溫推進(jìn)劑能有效保護(hù)喉襯,降低高燃溫燃?xì)鈱?duì)喉襯的沖刷。

圖12 2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后喉襯

3 結(jié)論

1) 使用低燃溫推進(jìn)劑能有效降低噴管背壁溫度,使用低燃溫推進(jìn)劑越多,噴管背壁溫度越低。

2) 從試驗(yàn)結(jié)果看,A點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值變化趨勢(shì)一致,部分點(diǎn)值有較大差別,這主要是由測(cè)試方法及仿真計(jì)算參數(shù)輸入差異造成的。

3) 使用低燃溫推進(jìn)劑能有效降低喉襯燒蝕,當(dāng)?shù)腿紲赝七M(jìn)劑含量為6.8%時(shí),燒蝕率下降15.8%。