渦流閥式固體變推力集成原理樣機設計與實驗①

魏祥庚，李 江，金 蔚，姜 東

(西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

0 引言

變推力發動機能實現推力大小的改變，控制推力，改善導彈飛行軌道的機動性，從而提高導彈武器的突防能力。渦流閥方案是實現固體發動機推力調節的一種有效方式，它通過向安裝渦流閥的固體發動機渦流室切向噴入控制流氣體，迫使主流燃氣產生旋轉，增大流動阻力，改變燃燒室壓強，達到推力調節的目的。

國外主要對渦流閥及其在火箭發動機上的應用進行了理論分析和原理性實驗，通過研究證明了渦流閥調節固體發動機推力的可行性［1－2］。國內對渦流閥式變推力發動機研究尚處于探索階段［3－4］。國防科技大學進行了固體發動機推力隨機調節的渦流閥方案研究［5］，得到了渦流閥流量調節特性，通過實驗實現了一定的推力調節比;西北工業大學對渦流閥式變推力發動機也進行了初步研究［6－8］，建立了渦流閥結構設計的簡單設計準則，獲得了氣流參數和結構參數對調節性能的影響規律，并在原理性試驗中實現了約3倍的推力調節比。由目前研究可看出，渦流閥用于固體發動機進行推力調節是可行的，但要實現渦流閥式變推力發動機的工程應用，還需進行關鍵技術的攻關和驗證工作。與固體發動機相比，渦流閥式變推力發動機增加了控制流供給系統和渦流閥機構，增加了系統的復雜性，必須開展調節性能、設計方法及集成化設計等關鍵技術攻關和驗證工作，為實現渦流閥式變推力發動機的工程應用儲備技術。

本文利用前期研究成果，開展了渦流閥式變推力發動機集成化原理樣機設計與驗證工作，研究成果可為該發動機技術工程化應用提供技術參考。

1 原理樣機設計

渦流閥變推力發動機如圖1所示。

1.1 設計約束條件

為了約束設計條件，在對比國外研究水平及總結分析前期研究成果的基礎上，制定了樣機設計約束條件如下:

(1)推力調節比不小于5;

(2)工作時間不少于8 s;

(3)發動機為對稱結構，且所有部件在同一包絡線內。

圖1 渦流閥變推力發動機示意圖Fig.1 Sketch of variable thrust motor based on vortex valve

1.2 總體方案

前期研究獲得采用燃氣作為控制流，可獲得更好的調節性能［6］，本文采用了燃氣控制流方案。對于采用燃氣發生器方案來說，由于增加了燃氣發生器及燃氣管路，系統復雜度提高，且熱防護困難，加之設計約束中要求為對稱結構，且在同一包絡線內。因此，樣機的設計需要一些創新思維。為了實現上述要求，樣機設計為具有長尾管、環形燃氣發生器的對稱結構，如圖2所示。通過長尾管的方式留出燃氣發生器以及燃氣管路的安裝空間，該集成方式在目前渦流閥變推力發動機中還未出現過。樣機主要由主發動機、燃氣發生器、控制流管路、渦流閥等部件組成。主發動機為長尾管結構，燃氣發生器為環形圓筒形式，控制流管路為雙側軸對稱形式。燃氣發生器和渦流閥都在主發動機外徑包絡線內。

圖2 樣機示意圖Fig.2 Scheme of prototype

1.3 設計方法

在課題組前期研究渦流閥噴流調節規律的基礎上，總結了渦流閥設計準則［6－8］:

(1)渦流室直徑、渦流室高度和渦流室形狀為關鍵設計參數;

(2)在總體及結構允許的條件下，渦流室直徑按最大設計;

(3)渦流室高度為渦流室出口半徑;

(4)渦流室設計為無收斂段直壁結構;

(5)噴嘴位置為結構允許的徑向最大位置。

1.4 參數設計

發動機參數設計時，充分考慮了安全性及易實現性。主發動機的工作參數:調節前，發動機工作壓強為2 MPa;調節后，工作壓強為15 MPa。主發動機選用低含鋁量的高燃速壓強指數的復合推進劑，燃氣溫度約3 110 K，燃速指數為0.65，單端面燃燒。燃氣發生器選用常規燃速壓強指數無鋁推進劑，燃氣溫度約1 440 K，燃速壓強指數為0.27，單端面燃燒。

利用簡化處理的參數計算模型，進行了燃氣發生器工作參數的設計，并對燃氣發生器參數進行了一定優化，經過多輪的迭代計算，確定了樣機設計參數，如表1所示。

表1 樣機設計參數Table 1 Design parameter of motor

1.5 結構設計

為滿足設計約束條件，采用了長尾管和環形燃氣發生器的方案，實現了在同一母線內的對稱結構。環形燃氣發生器安裝在長尾管處，燃氣發生器通過2根硬管路與渦流閥相連，實現控制流的輸送。發動機設計為厚壁結構，長尾管為亞音速尾管，發動機的內壁都設計了高硅氧-酚醛內襯進行隔熱。由于燃氣發生器用推進劑溫度相對較低，沒有對燃氣發生器進行隔熱防護，燃氣管路采用高硅氧-酚醛作為內襯隔熱。設計渦流閥的結構如圖2所示，主要由中心體、渦流室絕熱層、渦流室背壁、喉襯、喉襯背壁及噴管擴張段等結構組成。中心體和渦流室絕熱層材料為C/C材料，渦流室背壁、喉襯背壁和噴管擴張段材料為高硅氧-酚醛材料，喉襯材料為高強高密石墨。

2 實驗

為驗證設計方法及設計方案的可行性，實現關鍵技術的突破，進行了渦流閥式變推力發動機原理樣機實驗研究。實驗系統主要由原理樣機實驗發動機、測試系統及點火及時序控制系統組成，如圖3所示。

圖3 實驗系統圖Fig.3 Sketch of test system

2.1 實驗一

實驗時序:主發動機低壓點火，低壓工作3.5 s后，燃氣發生器點火，渦流閥啟動，主發動機進入高壓工作，燃氣發生器工作4.3 s后結束，主發動機回到低壓工作，直到結束。圖4和圖5分別為實驗一樣機推力-時間曲線和主發動機燃燒室壓強-時間曲線。實驗過程正常，實驗后，拆解發動機發現，除了喉襯燒蝕嚴重外，發動機整體結構仍較完整。

圖4 實驗一推力-時間曲線Fig.4 Thrust-time curve of the first test

從實驗曲線可看出，調節前的主發動機壓強出現緩慢爬升現象，且與設計值相比偏小。經分析認為，主發動機燃燒室與燃氣發生器連通，而燃氣發生器內部空間較大，所以調節前，主發動機充填過程緩慢，充填過程中主燃氣流動損失和熱損失較大，產生了上述現象。實驗后，石墨喉襯燒蝕嚴重，表面形成“旋切痕”，喉徑由設計的19.18 mm擴大到22.34 mm。經分析認為，旋流對喉襯的燒蝕影響很大。這也說明渦流閥變推力發動機中，旋流能實現變推力的目的，但同樣會帶來旋流損失，這也是這種方案的一個缺點。由于喉徑的燒蝕嚴重，在控制流關閉以后，主發動機的燃燒室壓強同樣低于設計值。雖然本次實驗實現了非常高的推力調節比，但由于噴管的嚴重燒蝕，該次實驗應為不完全成功的實驗。

圖5 實驗一主發動機壓強-時間曲線Fig.5 Main motor pressure-time curve of the first test

2.2 實驗二

針對實驗一出現的問題進行了改進，將喉襯材料改為耐燒蝕性能更好的鎢滲銅材料。為了克服調節前的主發動機壓強出現緩慢爬升的現象，在燃氣發生器的出口處安裝了賽璐珞膜片，保證主發動機調節前與燃氣發生器的隔離。

實驗時序:主發動機低壓點火，低壓工作2 s后，燃氣發生器點火，渦流閥啟動，主發動機進入高壓工作，燃氣發生器工作3.5 s后結束，主發動機回到低壓工作，直到結束。圖6和圖7分別為樣機推力-時間關系曲線和主發動機燃燒室壓強-時間關系曲線。

圖6 實驗二推力-時間曲線Fig.6 Thrust-time curve of the second test

實驗后，拆解發動機發現，喉襯基本沒有燒蝕，但沉積嚴重，其他結構都很完整。

圖7 實驗二主發動機壓強-時間曲線Fig.7 Main motor pressure-time curve of the second test

從實驗曲線中可看出，調節前的主發動機燃燒室壓強較為平穩。實驗后，各組件結構完整，表明改進方案達到了目的。但實驗二同樣出現了前向臺階主發動機燃燒室壓強比設計預期值偏小的現象。經分析認為，由于渦流室內的中心體與燃氣接觸的表面積較大，調節前主燃氣在流經渦流室時熱損失較大，使得主燃氣調節前能量降低，產生主發動機燃燒室壓強曲線前向臺階低于預期值的現象。后向臺階階段渦流室表面溫度已升高，熱損失影響減小，壓力會有所升高。實驗后發現，鎢滲銅喉襯表面沉積較嚴重，導致喉徑明顯減少。經分析認為，這些是導致主發動機燃燒室壓強的后向臺階較高的原因。經過數據處理，得到實驗二樣機工作參數如表2所示。

表2 實驗二樣機工作參數Table 2 Operating parameter of motor

樣機實際工作推力調節比達到了9∶1，壓強調節比為8.1∶1，控制流流量比為0.256，工作時間約為8.8 s。推力調節比達9∶1，這是目前渦流閥變推力發動機中非常高的調節比，充分說明該方案也可實現較大的推力調節能力。

由實驗數據可看出，渦流閥變推力發動機的推力調節比大于壓強調節比，這是機械調節喉部面積變推力方案所不能比擬的。由于渦流閥變推力方案是通過加質旋轉實現的，加質部分的工質進入發動機，也通過噴管膨脹做功，增加了發動機推力。因此，可實現推力調節比大于壓強調節比。由此也說明，渦流閥變推力發動機可利用較小的壓強調節比，實現較大的推力調節比。這對變推發動機來說，是一個非常可觀的特點，這也是渦流閥變推力發動機的一個顯著優點。由實驗結果可看出，實驗的調節比遠高于最初設計的目標，但調節后的壓強還沒有達到預期的設計。這說明目前對渦流閥變推力發動機的調節機理認識還不是非常清楚，需深入開展調節機理研究，建立渦流閥調節模型，但該實驗還是驗證了渦流閥變推力發動機的工作原理、設計方法的合理性及渦流閥變推力方案能實現較大推力調節比的特性，獲得了該方案可實現推力調節比大于壓強調節比的特性。

3 結論

(1)設計環形燃氣發生器和長尾管組合的方式，較好解決了渦流閥式變推力集成化樣機的布局難題，實現了同一包絡線內的集成設計;

(2)通過實驗驗證了渦流閥的工作原理和樣機的設計方法，獲得了渦流閥變推力方案推力調節比大于壓強調節比的特性，實現了該方案較大的調節能力，實驗獲得推力調節比達到9∶1。

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