管狀裝藥燃氣發(fā)生器工作壓強研究

喻 峰，周福祥

(江南機電設計研究所，貴州 貴陽 550025)

0 引言

裝填式管狀藥柱的燃氣發(fā)生器[1]工作時理論上是恒定壓強，但在很多型號研制初期會出現(xiàn)壓強持續(xù)升高或者后半段持續(xù)下降等現(xiàn)象，小直徑燃氣發(fā)生器出現(xiàn)的頻率更高。壓強過高會對結構安全性本不存在燃氣沖刷前端限燃層導致脫落。而后端燃氣流會加速到10～50 m/s，當限燃層粘貼工藝有缺陷或不穩(wěn)定時，燃氣發(fā)生器[2-3]后端限燃層受燃氣流沖刷導致局部脫落可能性較大。推進劑持續(xù)燃燒產(chǎn)生的氣流對脫落的限燃層持續(xù)沖擊，限燃層持續(xù)脫落，因此本文只考慮后端面限燃層脫落情況。理論上在燃燒過程中，后端限燃層何時脫落、起始脫落位置等多種形式導致壓強多種變化。另外，由于兩端包覆的管狀藥柱內(nèi)外圓均是燃燒面，相對來說，內(nèi)圓空腔體積較大，點火器燃氣流首先點燃內(nèi)圓燃面，外圓燃面相對滯后。由此帶來的內(nèi)外圓燃速差異導致總燃面與理論不符，因此壓強趨勢與理論存在差異。本文主要分析以上兩種情況產(chǎn)生燃面及壓強變化的原因，研究結果表明該分析方法能有效評判試驗壓強異常現(xiàn)象，對改進藥柱和燃氣發(fā)生器結構設計提供理論依據(jù)。

1 裝藥模型及性能參數(shù)

以某項目燃氣發(fā)生器為例，其裝藥結構如圖1所示，推進劑[4]燃面為管型藥柱，兩端粘貼限燃層，內(nèi)外圓表面燃燒。

推進劑性能參數(shù)如下：

(1)推進劑燃速：15 mm/s(P=10 MPa)；

(2)壓力指數(shù)：0.3；

(3)特征速度：1250 m/s；

(4)密度：1.6 g/cm3。

2 限燃層脫落

2.1 假設條件

為了便于研究機理，主要考慮三種狀態(tài)，形式為后端面外圓限燃層脫落、后端面內(nèi)圓限燃層脫落、后端面內(nèi)外圓限燃層同時脫落，其脫落位置在藥柱內(nèi)外圓與限燃層搭接處。假設脫落狀態(tài)如下：

(1)點火沖擊瞬間，限燃層出現(xiàn)局部脫落，即燃面燃燒零時刻即存在限燃層脫落，脫落長度為5 mm；

(2)限燃層持續(xù)脫落速度與推進劑燃速相同，且沿徑向方向延伸；

(3)限燃層與裝藥沿圓周徑向均勻脫落。

2.2 外圓限燃層脫落

推進劑總燃面變化過程包括四個燃面，分別為內(nèi)孔燃面、外孔燃面、后端面直段燃面和圓弧段燃面。隨著燃面推移，燃面變化過程有以下四個階段，如圖2所示。

(1)零時刻，有三個燃面參與燃燒，內(nèi)孔燃面、外孔燃面和后端直段燃面；

(2)隨著燃燒持續(xù)，后端面分化成直段燃面和圓弧燃面，直段燃面逐步減小，圓弧段燃面逐步增大，內(nèi)孔燃面處于增面過程，外孔燃面處于減面過程；

(3)隨著外孔直徑逐漸減小，后端直線段燃面消失，后端圓弧段燃面、內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面處于減面過程；

(4)當內(nèi)孔燃面逐漸推移至與圓弧燃面相交時，后端限燃層完全脫落，后端圓弧燃面開始減小，內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面仍然處于減面過程，直至內(nèi)外圓孔燃面相交，燃燒結束。

2.3 內(nèi)圓限燃層脫落

內(nèi)孔限燃層脫落燃面推移過程與外孔一樣，如圖3所示，只是限燃層脫落起始位置不同。

2.4 內(nèi)外圓限燃層同時脫落

此燃面變化過程包括六個燃面，內(nèi)孔燃面、外孔燃面、內(nèi)孔直段燃面、內(nèi)孔圓弧段燃面、外孔直段燃面、外孔圓弧段燃面，如圖4所示。

隨著燃面推移，燃面變化過程如下：

(1)零時刻有四個燃面參與燃燒，內(nèi)孔燃面、外孔燃面、內(nèi)孔直段燃面、外孔直段燃面。

(2)隨著燃燒持續(xù)，后端內(nèi)孔分化成內(nèi)孔直段燃面和圓弧燃面，后端外孔分化成外孔直段燃面和圓弧燃面；內(nèi)、外孔的直段燃面逐步減小，圓弧段燃面逐步增大；內(nèi)孔燃面處于增面過程，外孔燃面處于減面過程。

(3)隨著內(nèi)、外孔直徑逐漸減小，后端內(nèi)、外孔直線段燃面消失，內(nèi)、外孔圓弧段燃面處于增面過程，內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面處于減面過程。

(4)當內(nèi)、外孔燃面逐漸推移至與內(nèi)、外孔圓弧燃面相交時，后端限燃層完全脫落，內(nèi)、外孔圓弧燃面開始減小，內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面仍然處于減面過程，直至內(nèi)、外圓孔燃面相交，燃燒結束。

2.5 燃面和壓強變化

從圖1到圖4中可以看出，當管狀藥后端面限燃層脫落后引起的燃面變化情況。起始燃面由于存在限燃層局部脫落，燃面緩慢變小，當后端面直段燃面消失后，圓弧段燃面逐漸增大，總燃面逐步抬升，當限燃層全部脫落后，圓弧段燃面急劇下降，導致總然面下降，直到燃燒結束。內(nèi)孔限燃層脫落和外孔限燃層脫落，總燃面相近，內(nèi)外孔同時脫落帶來的燃面變化較大，根據(jù)燃面計算的燃燒室平衡壓強如圖5所示。

3 內(nèi)外圓燃速差異

固體火箭發(fā)動機工作原理為點火器工作產(chǎn)生初始高溫高壓燃氣，燃氣迅速流經(jīng)推進劑表面使推進劑開始燃燒，因此燃燒室內(nèi)推進劑起始燃燒面與裝藥燃面形狀有很大的關系。大多數(shù)燃氣發(fā)生器裝藥形式為裝填式管型藥柱，為了增加裝藥量，藥柱外圓與燃燒室內(nèi)壁絕熱層間隙較小，一般情況下間隙不大于3～5 mm，藥柱內(nèi)圓腔體是燃燒室最大的自由空間。當燃氣發(fā)生器使用單根管型藥柱時，點火器位于藥柱內(nèi)圓內(nèi)，點火燃氣流瞬間占據(jù)內(nèi)孔空間，從而首先點燃內(nèi)圓表面推進劑。由于外圓與殼體間隙很小，點火燃氣流到燃燒室后封頭反流回殼體間隙，外圓裝藥表面才開始逐漸燃燒，此時間隙處的外圓表面燃燒由于溫度、流量、流速形成的工況與內(nèi)圓空腔環(huán)境大相徑庭，裝藥表面燃速受到較大的影響，因此建壓過程較為緩慢。由于內(nèi)、外圓裝藥燃速差異，導致燃面推移變化，最終影響燃氣發(fā)生器燃燒室壓強。

3.1 假設條件

根據(jù)以上機理，仍用上述藥柱結構建立燃速模型，推理單根管型藥柱燃面推移，從而預示燃燒室壓強。

(a)推進劑燃速理論值為15 mm/s。

(b)內(nèi)圓推進劑燃速在0.2 s建壓過程中，燃速從零逐漸增加到15 mm/s，外圓間隙處推進劑燃速從零增加到穩(wěn)定燃速的一半，即7.5 mm/s。

(c)建壓完畢后，外圓燃速持續(xù)增加，直至達到穩(wěn)定燃速。

3.2 燃面和壓強變化

理論模型不考慮建壓過程，管狀型藥柱(前后端面限燃)燃面恒定不變，因此燃面和壓強沒有變化。由于內(nèi)、外圓燃速差異導致內(nèi)、外圓燃面推移發(fā)生變化，在建壓過程中，外圓燃速偏低，燃面變化小導致流量偏小；建壓完成后，外圓仍然提升燃速，直到某時刻達到穩(wěn)態(tài)燃燒，相比理論設計，總燃面呈逐步加大趨勢，如圖6所示。

理論燃速15 mm/s，工作時間1.7 s，燃燒室平均壓強9.86 MPa。由于內(nèi)外圓燃速不一致，實際壓強達到平衡后，逐漸升高，根據(jù)假設條件的設置，最大壓強達到11 MPa，如圖7所示。

以下是某燃氣發(fā)生器理論與實際壓強對比，如圖8所示。由此可見，管狀藥柱在實際燃燒過程中，內(nèi)外孔燃面燃速不一致，導致壓強呈現(xiàn)逐步抬升趨勢。設計平衡壓強9.1 MPa，而實際壓強逐漸上升到最大壓強10 MPa。

4 結論

常規(guī)燃氣發(fā)生器通常采用自由裝填管狀藥柱，在實際研制過程中，由于制造工藝經(jīng)常出現(xiàn)燃氣發(fā)生器內(nèi)彈道與理論差異較大，特別是有前后包覆結構的管狀藥柱，限燃層的脫落導致燃面發(fā)生較大的變化，隨之會對燃氣發(fā)生器的性能產(chǎn)生不利影響。因此必須嚴格控制限燃層的包覆要求，杜絕限燃層在工作過程中脫落現(xiàn)象。另外，從設計角度來看，嚴格設計和控制自由裝填式管狀藥柱的內(nèi)圓、外圓自由空間，否則會嚴重影響內(nèi)、外圓推進劑表面燃速一致性，導致壓強逐漸抬升的現(xiàn)象。