一種固沖發(fā)動機用流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計*

蘭飛強，王麗娟，程 翔，智 博

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

燃?xì)獍l(fā)生器流量調(diào)節(jié)技術(shù)是整體式固體火箭沖壓發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一，常用的方案主要有控制推進劑的燃燒面積、非壅塞自適應(yīng)調(diào)節(jié)、渦旋閥法、調(diào)節(jié)噴管喉部面積法等[1－5]，其中調(diào)節(jié)噴管喉部面積法能有效的控制喉部面積的大小，控制靈活準(zhǔn)確，可以實現(xiàn)燃?xì)饬髁康耐耆{(diào)節(jié)，使補燃室的空燃比始終保持在較優(yōu)的范圍，充分發(fā)揮推進劑的能量，可以滿足固沖發(fā)動機大空域工作的需求，也可以在飛行過程中根據(jù)任務(wù)需求調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚瑑?yōu)化能量分配，提高能量使用效率，提高沖壓發(fā)動機的工作性能。因此，目前國際上已紛紛開展相應(yīng)的應(yīng)用研究，取得了不少進展。

文中針對某型固沖發(fā)動機用流量調(diào)節(jié)裝置進行了詳細(xì)設(shè)計，完成了流場與結(jié)構(gòu)仿真計算，在仿真計算的基礎(chǔ)上加工試驗件進行了熱試試驗。

圖1 歐洲流星導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)示意圖

1 調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

1.1 調(diào)節(jié)原理

由燃?xì)馍陕史匠蹋?/p>

燃?xì)馀懦雎史匠蹋?/p>

分析上式可見：如需要增加qmf，應(yīng)減小Agt使燃?xì)獍l(fā)生器壓力Pg提高，燃速r增加，燃?xì)馍闪吭黾樱⑦_到新的平衡。需要減少qmf則與上述過程相反。

同樣可以導(dǎo)出 qmf、Pg、Agt之間的關(guān)系，分別以1和2代表兩種狀態(tài)：

由上式可以看出，流量變化量和噴嘴通道面積變化量及推進劑壓強指數(shù)n有關(guān)，高壓強指數(shù)下，相同的Agt1/Agt2可使流量獲得更大的調(diào)節(jié)量。為了獲得高的流量調(diào)節(jié)比，希望壓強指數(shù)n大一些，但使用過高的n值推進劑，在燃面突增、工藝產(chǎn)生燃速偏差等情況時，容易出現(xiàn)高壓爆炸的危險。

根據(jù)某型固沖發(fā)動機的具體需求進行了詳細(xì)設(shè)計，設(shè)計壓力比為100∶1，流量調(diào)節(jié)比大于10∶1。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)包括試驗用燃?xì)獍l(fā)生器、流量調(diào)節(jié)裝置、點火與測試系統(tǒng)、燃?xì)鈮毫刂葡到y(tǒng)等，試驗用藥為含硼貧氧藥，燃?xì)獍l(fā)生器的壓力為控制量進行閉環(huán)控制，測量得到的燃?xì)獍l(fā)生器壓力送到壓力控制系統(tǒng)，與期望的壓力曲線進行比較，控制算法給出調(diào)節(jié)裝置的運動信號，調(diào)節(jié)板轉(zhuǎn)動，改變喉部面積，達到改變?nèi)細(xì)獍l(fā)生器壓力繼而改變流量的目的。控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案流量調(diào)節(jié)裝置由支撐件組合、導(dǎo)管組合、調(diào)節(jié)板、調(diào)節(jié)軸、伺服系統(tǒng)等零(部)件組成，圖3為結(jié)構(gòu)的示意簡圖，支撐件組合為主承力結(jié)構(gòu)，其他零(部)件安裝在支撐件組合之上。

圖3 調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)簡圖

整個流量調(diào)節(jié)裝置位于燃?xì)獍l(fā)生器和補燃室之間，工作環(huán)境極其惡劣[6－9]，高溫高壓的燃?xì)庵苯幼饔迷谡{(diào)節(jié)裝置上，同時由于燃?xì)庵写嬖诖罅康哪嗔Ｗ樱ぷ鬟^程中可能沉積造成卡滯，嚴(yán)重時可能還會導(dǎo)致燃?xì)鈮毫Φ漠惓Ｗ兓霈F(xiàn)發(fā)動機爆炸的危險，在設(shè)計中通過仿真分析對調(diào)節(jié)板、氣流通道的形狀進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)選材料以減少沉積的發(fā)生，同時在與燃?xì)庵苯咏佑|的部位均設(shè)計有熱防護層，降低燃?xì)夂湍嗔Ｗ拥臒g，隔絕傳遞到結(jié)構(gòu)件的熱量，使伺服系統(tǒng)等在發(fā)動機工作過程中始終能正常工作。

流量調(diào)節(jié)裝置工作原理如下：伺服電機根據(jù)控制信號大小轉(zhuǎn)動，通過一系列的減速機構(gòu)帶動調(diào)節(jié)軸和調(diào)節(jié)板轉(zhuǎn)動，從而改變噴管通氣面積，燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)鈮毫﹄S之改變，達到調(diào)節(jié)流量的目的。同時采用電位器檢測調(diào)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度，構(gòu)成角度反饋控制系統(tǒng)。

2 流場仿真分析

為了簡化模型，在計算中不包含燃?xì)獍l(fā)生器模型，僅僅做出單個燃?xì)鈱?dǎo)管以及導(dǎo)管和旋轉(zhuǎn)盤閥延伸面的燃?xì)饽Ｐ停鐖D4，計算中所用到的邊界條件類型有：壓力入口(pressure_inlet)、壓力出口(pressure_outlet)與無滑移絕熱固壁(wall)，其中按照壓力入口計算收斂后按照質(zhì)量流率入口(mass flow_inlet)重新計算收斂。

圖4 流場計算模型

計算中選用Fluent的couple+implicit求解器，紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，流動方程、κ方程與ε方程的離散選擇一階精度。計算的收斂準(zhǔn)則為：連續(xù)方程、動量方程、能量方程以及κ、ε方程的殘差下降3個數(shù)量級，且燃?xì)鈱?dǎo)管出口流量穩(wěn)定。

限于篇幅，文中僅給出了最小、最大流量狀態(tài)下導(dǎo)管出口的馬赫數(shù)云圖以及導(dǎo)管軸對稱平面的馬赫數(shù)云圖(見圖5～圖8)，從計算結(jié)果可以看出，燃?xì)饬髟谌細(xì)獍l(fā)生器內(nèi)部流動速度為亞音速，在導(dǎo)管擴張段過后，流動在等直段后加速到超音速并形成一道斜激波，斜激波過后氣流速度降低，并隨流量的增大，激波的強度也隨之增加。

圖5 最小流量狀態(tài)導(dǎo)管軸對稱平面馬赫數(shù)云圖

圖6 最小流量狀態(tài)導(dǎo)管出口馬赫數(shù)

圖7 最大流量狀態(tài)導(dǎo)管出口馬赫數(shù)

圖8 最大流量狀態(tài)導(dǎo)管軸對稱平面馬赫數(shù)云圖

3 強度仿真

為盡量減輕整個裝置的重量，支撐件承力材料采用鈦合金，采用Patran/Nastran軟件對其進行強度校核計算，在計算中不考慮與氣流接觸的熱防護層，燃?xì)鈮毫d荷大小根據(jù)流場計算結(jié)果給出，計算結(jié)果見圖9，可以看出，支撐件的最大應(yīng)力小于材料的抗拉強度，工作安全。同樣對導(dǎo)管組合也進行強度計算，同樣不考慮與氣流接觸的熱防護層，導(dǎo)管的承力材料為30CrMnSiA，計算結(jié)果如圖10所示，可以看出，導(dǎo)管支撐件的最大應(yīng)力也小于材料的抗拉強度，工作安全。

圖9 支撐件在壓力載荷下的應(yīng)力云圖

圖10 導(dǎo)管在壓力載荷下的應(yīng)力云圖

試驗件加工完成后對試驗件進行了水壓檢驗，試驗過程中水壓穩(wěn)定無下降，試驗件保持正常，泄壓后試驗件無殘余變形。

4 試驗研究

在上述設(shè)計的基礎(chǔ)上，加工了試驗件進行熱試試驗，試驗用燃?xì)獍l(fā)生器裝藥為高能含硼推進劑，試驗前給出期望的燃?xì)獍l(fā)生器變化曲線，在試驗中壓力控制系統(tǒng)根據(jù)期望的壓力曲線控制調(diào)節(jié)裝置的運動，圖11為熱試試驗中實測燃?xì)獍l(fā)生器壓力和期望壓力的比較圖，圖中實線為期望的壓力變化曲線，虛線為實際測量得到的燃?xì)獍l(fā)生器壓力，從中可以看出，試驗壓力曲線與期望壓力曲線的吻合性較好，說明在整個工作過程中整個流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作正常，在控制系統(tǒng)的控制下，調(diào)節(jié)機構(gòu)可以根據(jù)指令改變喉部面積進而改變?nèi)細(xì)獍l(fā)生器壓力，使燃?xì)獍l(fā)生器流量按任務(wù)需求進行調(diào)節(jié)。

圖11 熱試試驗實測壓力和期望壓力比較圖

圖12為試驗曲線上低壓部分和高壓部分對應(yīng)的火焰變化情況，從圖中可以看出火焰的變化與燃?xì)獍l(fā)生器壓力的變化一致，在高壓情況下，明亮且火焰較長，在低壓情況下，暗淡且火焰較短。

圖12 低壓和高壓平臺時火焰圖像

5 結(jié)論

文中針對固沖發(fā)動機對流量調(diào)節(jié)裝置的需求開展了詳細(xì)設(shè)計，對其進行了結(jié)構(gòu)與流場仿真計算，在此基礎(chǔ)上完成了試驗件的設(shè)計與加工，完成了壓力閉環(huán)的熱試試驗，從試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1)本方案中設(shè)計的流量調(diào)節(jié)裝置可以根據(jù)指令要求對燃?xì)獍l(fā)生器壓力、流量進行調(diào)節(jié)，在工作過程中調(diào)節(jié)板轉(zhuǎn)動靈活，沉積少，可以滿足發(fā)動機的需求;

2)試驗結(jié)束后觀察熱防護層未完全炭化，可以在下一步的工作中開展更長工作時間的試驗;

3)在初步的試驗中對控制系統(tǒng)未進行詳細(xì)的設(shè)計，為保證試驗安全，控制器參數(shù)的選取偏保守，在下一步的工作中應(yīng)進行進一步的詳細(xì)設(shè)計。

[1]毛成立.燃?xì)獍l(fā)生器流量調(diào)節(jié)方案的比較[J].固體火箭技術(shù)，2000，23(4)：16－28.

[2]夏智勛，張煒.固體火箭沖壓發(fā)動機性能調(diào)節(jié)研究[J].固體火箭技術(shù)，1999，22(1)：19－22.

[3]何洪慶.固沖發(fā)動機貧氧燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)技術(shù)[J].航空兵器，1999(3)：18－21.

[4]鮑文.固體火箭沖壓發(fā)動機燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)特性[J].推進技術(shù)，2007，28(4)：433－436.

[5]Besser H L，Strecker R.Overview of boron ducted rocket development during the last two decades[C]∥Combustion of Boron-Based Solid Propellants and Solid Fuels，1993.

[6]孫冰，劉小勇，林小樹，等.固體火箭沖壓發(fā)動機燃燒室熱防護層燒蝕計算[J].推進技術(shù)，2002，23(5)：375－378.

[7]陳軍，王政時，董師顏，等.影響長時間續(xù)航發(fā)動機沉積特性的實驗與分析研究[J].兵工學(xué)報，2003，24(1)：139－141.

[8]高新緒，陳勇.電動、氣動和液壓三類伺服機構(gòu)快速性的比較[J].航空兵器，1995(1)：17－20.

[9]Vigot C，et al.Combustion behavior of boron based solid propellants in a ducted rocket[R/OL].http：∥publications.onera.fr/exl-doc/99185.pdf.