級(jí)間熱分離瞬間高壓力峰值研究

武玉玉，蔣 平，高 波，任一鵬

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

級(jí)間熱分離瞬間高壓力峰值研究

武玉玉，蔣 平，高 波，任一鵬

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

某型運(yùn)載火箭地面級(jí)間分離試驗(yàn)中獲得了分離過(guò)程中級(jí)間區(qū)壓力變化數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)分離瞬間一二級(jí)級(jí)間段和一子級(jí)前封頭存在瞬間高峰值壓力，該壓力遠(yuǎn)高于其它運(yùn)載火箭地面試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)結(jié)果，且單個(gè)峰值脈寬時(shí)間不超過(guò)2 ms。為此對(duì)此高峰值壓力的合理性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：該高峰值壓力合理、可信，可作為型號(hào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

級(jí)間分離；級(jí)間壓力；憋壓

0 引 言

多級(jí)火箭在低空分離時(shí)為保證上面級(jí)姿態(tài)控制滿足起控要求，多采用級(jí)間熱分離方式。熱分離是上、下兩級(jí)殼體結(jié)構(gòu)未分離前，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，在上、下兩體在分離面處斷開(kāi)后，依靠上面級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的高壓燃?xì)馐瓜旅婕?jí)遠(yuǎn)離上面級(jí)，完成分離。在此過(guò)程中，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生的高溫燃?xì)庵苯訃娚涞较旅婕?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的前封頭上，一部分氣流從排焰口直接排出，另一部分氣流在由上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭、上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、火箭殼體、下面級(jí)前封頭組成級(jí)間區(qū)成為高壓區(qū)。因此，火箭殼體在級(jí)間熱分離過(guò)程中要承受高壓，該壓力是火箭殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，必須準(zhǔn)確預(yù)示此壓力條件，壓力條件過(guò)大易導(dǎo)致殼體結(jié)構(gòu)死重大；條件過(guò)小則不滿足殼體承載要求，輕者導(dǎo)致火箭殼體異常破裂，重者影響飛行安全。通常情況，該壓力條件是通過(guò)地面試驗(yàn)獲得的。

1 地面級(jí)間分離試驗(yàn)壓力分析

某型運(yùn)載火箭地面級(jí)間分離試驗(yàn)中獲得了分離過(guò)程級(jí)間區(qū)壓力變化過(guò)程，試驗(yàn)使用的壓力傳感器為高頻傳感器，采樣頻率為 104Hz。在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)：一、二級(jí)級(jí)間段和一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭壓力在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后 3～6 ms內(nèi)出現(xiàn)高壓力峰值，最高峰值為528 kPa，單個(gè)峰值脈寬不超過(guò)2 ms。該壓力峰值超出級(jí)間熱分離時(shí)的常規(guī)壓力值[1～8]，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出級(jí)間段殼體結(jié)構(gòu)正常情況下所能承受的壓力條件，可造成殼體破裂，影響火箭級(jí)間分離的安全。

這與傳統(tǒng)運(yùn)載火箭級(jí)間分離壓力變化存在明顯差別。地面級(jí)間分離試驗(yàn)中P2測(cè)點(diǎn)距離一、二級(jí)級(jí)間段下端框最近，隨后依次是P1、P3（見(jiàn)圖1），測(cè)得的一、二級(jí)級(jí)間段壓力分布如圖2所示。

其它運(yùn)載火箭地面級(jí)間分離試驗(yàn)中測(cè)得的最大壓力僅為100 kPa，但試驗(yàn)中壓力傳感器采用頻率較低，獲得的壓力數(shù)據(jù)為緩變類(lèi)參數(shù)。顯然，本運(yùn)載火箭地面級(jí)間分離試驗(yàn)中出現(xiàn)的瞬間高壓力峰值遠(yuǎn)大于以往型號(hào)試驗(yàn)結(jié)果。為確定試驗(yàn)中壓力數(shù)據(jù)的合理性及準(zhǔn)確性，本文開(kāi)展了數(shù)值仿真，結(jié)合級(jí)間分離過(guò)程中的流場(chǎng)變化及仿真結(jié)果對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。鑒于一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓載荷遠(yuǎn)大于級(jí)間分離的壓力，本文重點(diǎn)分析一、二級(jí)級(jí)間段表面壓力變化。

2 級(jí)間分離憋壓數(shù)值仿真模擬

級(jí)間分離仿真采用三維非定常計(jì)算，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01 ms，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)口按照上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下彈道數(shù)據(jù)給出。圖3為一、二級(jí)級(jí)間段表面壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意。P1～P4沿一、二級(jí)級(jí)間段上端框至下端框分布。

圖4～15分別為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管打開(kāi)時(shí)間為0.5 ms、2.5 ms、5 ms、9 ms、15 ms和21 ms時(shí)的流場(chǎng)總壓云圖和馬赫數(shù)云圖。

結(jié)合數(shù)值仿真分析，發(fā)動(dòng)機(jī)堵片打開(kāi)后噴流會(huì)很快在級(jí)間段下端框形成第1個(gè)沖擊壓力并形成回流，回流經(jīng)過(guò)排焰窗口后快速下降，同時(shí)在級(jí)間區(qū)內(nèi)擴(kuò)散，級(jí)間區(qū)逐漸建壓（21 ms前）。

由圖4～15可見(jiàn)，約在2.5 ms時(shí)二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴流撞擊到一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭上；在5 ms時(shí)一子級(jí)前鋒頭與級(jí)間段下端框之間即形成一個(gè)小區(qū)域，流動(dòng)速度很低，當(dāng)?shù)貕毫ο鄬?duì)較高；在9 ms時(shí)可以明顯地看到，級(jí)間區(qū)內(nèi)的高壓通過(guò)排焰窗口排出，使得一子級(jí)前鋒頭與級(jí)間段下端框之間的壓力明顯降低；發(fā)動(dòng)機(jī)噴管打開(kāi)后的15 ms和21 ms時(shí)，流場(chǎng)主要特征變化不大。

圖16為級(jí)間段表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化過(guò)程。

從圖16中可以看出，堵片打開(kāi)后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力迅速上升，靠近一、二級(jí)級(jí)間段下端框附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力很快達(dá)到壓力峰值，最大峰值為523 kPa，這與級(jí)間分離試驗(yàn)中測(cè)得的最大壓力峰值528 kPa相吻合；沿一、二級(jí)級(jí)間段下端框至上端框，測(cè)到的壓力峰值逐漸減小；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力在憋壓過(guò)程中均表現(xiàn)出一定的脈動(dòng)特征，表明：流場(chǎng)的主要特征符合地面級(jí)間分離試驗(yàn)結(jié)果中壓力變化規(guī)律。

表1給出了一、二級(jí)級(jí)間段第1峰值壓力、最大峰值壓力、對(duì)應(yīng)的時(shí)間及脈寬。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力、對(duì)應(yīng)時(shí)間及脈寬

從表1中可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)越靠近一、二級(jí)級(jí)間段下端框，測(cè)點(diǎn)壓力越大，且出現(xiàn)峰值的時(shí)間越早，與地面級(jí)間分離試驗(yàn)結(jié)論一致。

圖17為地面試驗(yàn)中一、二級(jí)級(jí)間段下端框附近最大壓力與CFD仿真中最大壓力曲線比較。

從圖17中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)堵片打開(kāi)后，試驗(yàn)與CFD仿真中壓力均在堵片打開(kāi)后迅速上升，分別上升至528 kPa和523 kPa，數(shù)值仿真中的峰值脈寬比地面級(jí)間分離試驗(yàn)要略大2 ms左右，且出現(xiàn)峰值的時(shí)間略晚1.8 ms，此偏差可能是數(shù)值仿真和采樣偏差導(dǎo)致的，但偏差較小，認(rèn)為數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

綜合上述分析可知：地面級(jí)間分離試驗(yàn)壓力測(cè)量結(jié)果合理可信，可以作為分離期間一、二級(jí)級(jí)間段表面壓力設(shè)計(jì)依據(jù)。分析以往型號(hào)地面級(jí)間分離試驗(yàn)中未測(cè)到此瞬間高壓力峰值，應(yīng)當(dāng)是由于壓力傳感器頻響較低及以往型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)差異所致。建議在型號(hào)設(shè)計(jì)中考慮級(jí)間熱分離時(shí)的瞬間高壓力情況，并將此作為下游專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工況，以確保專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的可靠性。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)地面級(jí)間分離試驗(yàn)結(jié)果的分析和研究，得出如下結(jié)論：

a）依據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，堵片打開(kāi)后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力迅速上升，靠近一、二級(jí)級(jí)間段下端框附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力很快達(dá)到壓力峰值，最大峰值為523 kPa，這與地面試驗(yàn)中測(cè)得的最大壓力峰值528 kPa相吻合。

b）沿一、二級(jí)級(jí)間段下端框至上端框，測(cè)到的壓力峰值逐漸減小；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力在憋壓過(guò)程中均表現(xiàn)初脈動(dòng)特征，表明數(shù)值仿真流場(chǎng)的主要特征符合試驗(yàn)中壓力數(shù)據(jù)變化特征，數(shù)值仿真結(jié)果可信。

c）火箭地面級(jí)間分離過(guò)程中確實(shí)存在瞬間高壓力峰值情況，建議在型號(hào)設(shè)計(jì)中考慮級(jí)間熱分離時(shí)的瞬間高壓力情況，并將此作為下游專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工況，以確保專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的可靠性。

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Research on the Transient High Pressure during Stage Separations

Wu Yu-yu, Jiang Ping, Gao Bo, Ren Yi-peng
(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076）

According to the measured pressure data of the interstage section during a ground stage separation test, a transient extreme high pressure is found both in the inner space of interstage section and just on the top of I stage, which is far more higher than those measured in other launch vehicle ground tests and fly tests. The pressure lasts no more thant 2ms. Analysis based on computational fluid dynamics is carried out, and it indicates the extreme high pressure is reasonable, and should be considered for structure design.

Stage separation; Interstage pressure; Confined pressure

V414

A

1004-7182(2017)05-0022-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170505

2015-10-31；

2016-05-01

武玉玉（1980-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闅鈩?dòng)與熱環(huán)境設(shè)計(jì)