脈沖發(fā)動機中金屬膜片式隔艙動態(tài)破壞過程研究①

王春光，任全彬，田維平，劉洪超，楊德敏

(1.中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025;2.中國航天科技集團公司四院，西安 710025)

0 引言

多脈沖發(fā)動機是用隔離裝置將固體發(fā)動機的燃燒室分成若干部分，進行多次關(guān)機和啟動，合理分配推力及各脈沖間隔時間，實現(xiàn)導(dǎo)彈飛行彈道的最優(yōu)控制和發(fā)動機能量的最優(yōu)管理，全面提高各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)的性能［1］。根據(jù)隔離裝置承力情況，脈沖固體發(fā)動機隔離裝置可以分為隔艙式 (硬隔離)和隔層式 (軟隔離)［2］。其中隔艙式是通過隔艙組件將燃燒室分隔成多個獨立的燃燒室，隔艙組件既要承力又要隔熱，其優(yōu)點是II脈沖的裝藥形式不受限制，打開壓強一致性好，裝配方便等特點。因此，隔艙在脈沖發(fā)動機中具有很好的應(yīng)用前景。國外已經(jīng)有多種具體型號使用脈沖發(fā)動機，國內(nèi)最近幾年也取得了一定進展，劉雨［3］、王長輝［4］、劉亞冰［5］等主要對陶瓷隔艙進行了研究，陶瓷隔艙具有結(jié)構(gòu)機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、研制周期短等優(yōu)點，但同時兼有結(jié)構(gòu)質(zhì)量重、承壓與打開壓強比小、對材料特性敏感等缺點，導(dǎo)致該類型的隔離裝置在脈沖發(fā)動機的適用范圍大大降低。文獻［6－8］主要研究了陶瓷式雙脈沖發(fā)動機的內(nèi)流場特點:II脈沖工作時，由于級間通道的收縮導(dǎo)致燃氣在I脈沖燃燒室產(chǎn)生后臺階流動，從而使燃氣產(chǎn)生漩渦，強化了I脈沖的對流換熱及粒子沖刷。文獻［9］總結(jié)出了隨級間通道直徑的變化，發(fā)動機內(nèi)流場的變化規(guī)律。文獻［6－7］、［9］所涉及雙脈沖發(fā)動機的隔離裝置都為陶瓷隔艙結(jié)構(gòu)，為了滿足強度要求必須設(shè)計為收口形式，從而必然導(dǎo)致II脈沖工作時的燃氣在I脈沖燃燒室內(nèi)的后臺階流動。對于II脈沖長時間工作的發(fā)動機(30 s以上)，后臺階流動將導(dǎo)致發(fā)動機的絕熱燒蝕嚴重，對發(fā)動機的絕熱帶來不利影響。

金屬膜片式隔艙是利用輪輻式支撐件來減小質(zhì)量，密封膜片與支撐件緊密貼實。為了減小打開壓強，在金屬膜片一側(cè)有刻痕，同時在金屬膜片外側(cè)附著一層絕熱層進行絕熱。由于該類隔艙兼具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、研制周期短、可靠性高等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于國際的脈沖發(fā)動機領(lǐng)域［1］。

本文通過理論推導(dǎo)得到金屬膜片的設(shè)計公式，獲得了其打開壓強與結(jié)構(gòu)尺寸的具體關(guān)系。利用有限元仿真模擬膜片的破壞過程，計算得到打開壓強，并與公式計算結(jié)果對比。設(shè)計膜片動態(tài)打開的單項試驗，得到膜片的實際打開壓強與破壞形式，為脈沖發(fā)動機的設(shè)計提供依據(jù)。

1 金屬膜片設(shè)計方法

1.1 金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計

金屬膜片式隔艙脈沖發(fā)動機依靠隔艙組件將燃燒室分隔成多個艙體，隔艙組件包括一個多孔支撐件和一個高強度易變形的金屬模片。當(dāng)?shù)贗脈沖工作時，金屬模片蓋在支撐件后面，防止燃氣通過;第II脈沖工作時，模片破裂，燃氣通過多孔支撐件從噴管排出。金屬膜片式隔艙脈沖發(fā)動機三維圖如圖1(a)所示。其中金屬膜片的結(jié)構(gòu)形式主要為薄板結(jié)構(gòu)，且在一側(cè)設(shè)有預(yù)制缺陷，以方便控制膜片的破壞打開壓強和破壞形式。參考液體發(fā)動機中閥門破裂膜片的設(shè)計方法，設(shè)計固體脈沖發(fā)動機的金屬膜片隔艙結(jié)構(gòu)［10］。本文的金屬膜片結(jié)構(gòu)簡圖如圖1(b)所示，為了得到可靠的打開形式，預(yù)制缺陷槽一般設(shè)計為“十字型”或“米字型”，本文選取“米字型”預(yù)制缺陷膜片作為研究對象。

1.2 金屬膜片設(shè)計公式

在II脈沖燃燒室較低壓強作用下，膜片會沿預(yù)制曲線順利打開，金屬膜片的破壞打開壓強與膜片的各種結(jié)構(gòu)尺寸有密切關(guān)系，其中包括預(yù)制缺陷深度a、缺陷V型槽開口角度α、膜片半徑R及厚度h等。

為了量化膜片的的破壞打開壓強與膜片結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，本文將膜片承受燃燒室壓強的變形過程簡化為相同尺寸薄板(不含預(yù)制缺陷)的大撓度問題，得到預(yù)制缺陷位置的應(yīng)力分布形式，具體見式(1):

式中 E為膜片材料的楊氏模量;μ為膜片材料的泊松比;f為圓板中心的最大撓度為抗彎剛度為關(guān)心點徑向坐標的單位化;為關(guān)心點厚度坐標的單位化;ω為關(guān)心點位置的撓度值。

圖1 雙脈沖發(fā)動機及金屬膜片結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Double pulse motor and metal diaphragm

通過式(1)即可計算得到預(yù)制缺相應(yīng)位置的應(yīng)力值，根據(jù)式(2)計算預(yù)制缺陷位置的應(yīng)力強度因子:

其中，σo和 σp通過式(1)計算求出，具體含義見圖2(a)，即某橫截面預(yù)制缺陷處的切向應(yīng)力示意圖。由于板中心的應(yīng)力最大，所以預(yù)制缺陷中心位置的應(yīng)力強度因子也最大，具體分布形式見圖2(b)。

考慮到某脈沖發(fā)動機的直徑，同時保證II脈沖藥柱能穩(wěn)定點燃(一般要求初始壓強在1.5～2.5 MPa之間)。本文設(shè)計II脈沖初始工作壓強為2.2 MPa，根據(jù)式(1)、式(2)，設(shè)計膜片具體尺寸如下:缺陷深度α=1 mm、缺陷 V型槽開口角度 α=π/2、膜片半徑 R=142 mm、膜片厚度h=3 mm。

圖2 預(yù)制缺陷處切向應(yīng)力及應(yīng)力強度因子分布Fig.2 Tangential stress distribution and stress intensity factor distribution of the prefab defect

2 金屬膜片破壞過程的數(shù)值模擬

2.1 計算模型

建立金屬膜片打開破壞過程的三維有限元模型(圖3)，整個模型由金屬膜片和部分絕熱層組成。合理簡化邊界條件，模擬膜片在發(fā)動機中的實際連接形式。整個膜片全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元類型為C3D8R，單元總數(shù)為50 000。

圖3 金屬膜片有限元模型Fig.3 Finite element model of metal diaphragm

膜片的材料性能:楊氏模量E=74 000 MPa;泊松比 μ =0.33;密度 ρ=2 800 kg/m3;斷裂韌度 KIC=22.5斷裂應(yīng)變 ε =0.08。

將整個加載過程定義為動態(tài)分析載荷步:在隔膜片II脈沖一側(cè)施加壓力載荷，模擬II脈沖燃燒室初始工作壓強，工作時間為40 ms，載荷的大小隨時間線性增加，計算膜片破壞打開的壓強值。

2.2 材料失效模型選擇

在固體火箭發(fā)動機中，膜片的實際破壞過程為動態(tài)打開過程，從壓力建立到膜片破壞整個時間約為40 ms，膜片材料來不及塑性變形，結(jié)合前期試驗的結(jié)果近似認為膜片發(fā)生脆性破壞。本文選取Brittle cracking模型來模擬膜片動態(tài)打開即脆性破壞過程的有限元數(shù)值模擬。Brittle cracking模型是ABAQUS/explicit中材料脆性損傷失效模型，其單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖4 脆性斷裂模型的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Failure stress-strain curve of brittle cracking model

2.3 計算結(jié)果分析

與隔層式脈沖發(fā)動機相比，隔艙式脈沖發(fā)動機中，由于隔艙可以承受來自I脈沖高壓作用，因此II脈沖藥柱的結(jié)構(gòu)完整性不會受到影響，本文不進行該方面的分析。II脈沖燃燒室開始工作時，隨著內(nèi)壓的迅速增加，膜片開始變形，預(yù)制缺陷的應(yīng)力強度因子逐漸增加，當(dāng)膜片中心位置某條預(yù)制缺陷的應(yīng)力強度因子滿足時，預(yù)制缺陷位置開始產(chǎn)生裂紋。隨壓力增加，預(yù)制缺陷處的裂紋迅速擴展，直至整個膜片在中心位置產(chǎn)生貫穿型的裂紋，整個膜片失去承載能力。金屬膜片破壞過程的應(yīng)變分布如圖5所示。

圖5 金屬膜片破壞過程的應(yīng)變分布Fig.5 Strain distribution for metal diaphragm failure process

由圖5(a)可見，壓強達到2.01 MPa時，膜片中心預(yù)制缺陷位置的應(yīng)力強度因子達到材料的斷裂韌度，預(yù)制缺陷位置開始產(chǎn)生裂紋，并且裂紋隨壓力增加而逐漸擴展。在膜片內(nèi)側(cè)，膜片根部位置的應(yīng)變值較大為0.07，但略低于材料的延伸率0.08，不會產(chǎn)生破壞。

由圖5(b)可見，壓強達到2.15 MPa時，裂紋擴展至膜片的另一側(cè)，膜片從中心位置沿預(yù)制缺陷隨機分成3瓣，整個膜片徹底失去承載能力。觀察膜片內(nèi)側(cè)根部，由于有一部分表面單元的應(yīng)變已經(jīng)超過材料的斷裂應(yīng)變值，相應(yīng)單元已被軟件自動刪除。由于根部的單元并未在整個厚度方向都失效，只有表面產(chǎn)生損傷，因此膜片并不會在根部斷裂，這也說明了本文所設(shè)計的膜片不會有成塊的有害物質(zhì)飛出。

3 膜片打開單項試驗

3.1 試驗裝置

隔艙結(jié)構(gòu)的單項驗證試驗是脈沖發(fā)動機設(shè)計過程中必不可少的過程，單項試驗可以考核隔艙的承壓、打開及密封性能，驗證設(shè)計思想的合理性。本文設(shè)計了隔艙的單項試驗裝置如圖6所示［2］，試驗工質(zhì)可為氮氣、水或者靠內(nèi)部點火藥產(chǎn)生壓強。裝置由I脈沖集壓室、II脈沖集壓室和隔艙組件組成。在I和II脈沖集壓室上均開有進壓口和測壓口。2個集壓室上的進壓口可與壓力源連接，通過調(diào)節(jié)壓力源的出口壓強，模擬脈沖發(fā)動機燃燒室壓強，進行隔艙承壓、打開及密封性能的試驗研究。本文只關(guān)心膜片的破壞過程，因此只對膜片打開單項試驗進行介紹。

圖6 隔艙單項試驗裝置Fig.6 Monomial test vessel for PSD

3.2 單項打開試驗

打開試驗主要考核膜片結(jié)構(gòu)的打開破壞性能，驗證II脈沖燃燒室工作時，膜片可以順利可靠打開。為了模擬II脈沖初始工作壓強，在II脈沖集氣室內(nèi)填充假藥柱，模擬真實發(fā)動機的自由空間，利用適量點火藥產(chǎn)生的點火壓強來模擬II脈沖工作的初始壓強。I脈沖集壓室頂蓋打開，II脈沖集壓室的測壓孔位置安裝測壓傳感器，通過測壓傳感器記錄II集壓室壓強隨時間變化情況。打開試驗的II脈沖壓強時間曲線如圖7所示，對預(yù)制缺陷深度為1 mm的膜片一共進行了5次打開試驗，試驗曲線一致性較好。曲線的最高點對應(yīng)的打開壓強值既為膜片的破壞打開壓強，膜片的打開壓強分別為 2.30、1.90 、2.33、2.00、1.95 MPa。

圖7 單項試驗的壓強曲線Fig.7 Pressure curvs for monomial tests

4 試驗結(jié)果分析

4.1 結(jié)果對比

單項打開試驗結(jié)束后，拆卸試驗裝置，發(fā)現(xiàn)膜片已經(jīng)沿預(yù)制缺陷破壞，膜片從預(yù)制缺陷位置產(chǎn)生3、4或5條貫穿性裂紋，分成3、4或5瓣，其中膜片破壞為3瓣的試驗結(jié)果見圖8(a)所示，膜片根部的變形情況如圖8(b)所示。

圖8 打開單項試驗的照片F(xiàn)ig.8 Picture of opening up test

試驗結(jié)果與公式計算結(jié)果、數(shù)值計算結(jié)果一致性較好。本文認為造成各次試驗結(jié)果差異的主要因素如下:

(1)制造誤差的影響

本文設(shè)計的膜片預(yù)制缺陷深度為1.0+0.10mm，材料加工過程中很難保證每一個預(yù)制缺陷深度完全相同，壓力作用時各預(yù)制缺陷的應(yīng)力強度因子也會有大有小，必將導(dǎo)致預(yù)制缺陷破壞程度不完全一致以及打開壓強大小的差異，同時也是計算結(jié)果與試驗結(jié)果有一定差異的原因。

(2)加載速率的影響

試驗過程中的實際建壓速率受外界因素影響較大，如點火藥量、點火藥的粉碎程度差異以及點火電流的大小，都會引起建壓速率的不同，必然導(dǎo)致各次試驗?zāi)て钠茐膲簭娪兴煌６邢拊治鰰r，采用顯示動態(tài)分析，加載時間近似設(shè)為40 ms，與實際情況存在差異，必然導(dǎo)致計算結(jié)果差異。

4.2 膜片真實平均打開壓強的區(qū)間估計

對膜片預(yù)制缺陷深度為1 mm的5次打開壓強進行統(tǒng)計分析，假設(shè)膜片的打開壓強 pf為正態(tài)總體N(μ，σ2)的一個樣本，由于總體方差σ2未知，用樣本方差S2來代替總體方差σ2，則膜片真實平均打開壓強的置信區(qū)間為

其中，打開壓強的平均值:

樣本的方差為

5 結(jié)論

(1)金屬膜片設(shè)計公式可以根據(jù)破壞打開壓強來設(shè)計膜片的具體尺寸，設(shè)計的破壞打開壓強與數(shù)值計算結(jié)果及試驗結(jié)果基本一致。打開壓強的公式設(shè)計結(jié)果為2.2 MPa、數(shù)值計算結(jié)果為2.15 MPa與試驗平均結(jié)果2.10 MPa 的誤差分別為4.8%、2.4%，均控制在5%以內(nèi)。

(2)數(shù)值仿真膜片的破壞過程，可以選擇脆性斷裂模型(Brittle cracking)，脆性斷裂模型可以較好模擬膜片的動態(tài)打開行為，預(yù)估膜片的打開破壞壓強，數(shù)值模擬的破壞形式與試驗結(jié)果基本一致。該方法可以作為試驗前期分析的一種重要手段。

(3)對膜片的實際打開壓強進行了區(qū)間估計分析，當(dāng)預(yù)制缺陷深度為1 mm時，膜片的真實平均打開壓強在［1.90 MPa，2.30 MPa］范圍內(nèi)的置信度為90%，滿足脈沖發(fā)動機的設(shè)計要求。

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