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      雙脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)鋁膜隔板設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究①

      2013-08-31 06:05:02王長(zhǎng)輝萇艷楠
      固體火箭技術(shù) 2013年2期
      關(guān)鍵詞:刻痕氣室隔板

      石 瑞,王長(zhǎng)輝,萇艷楠

      (北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100191)

      0 引言

      脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)是在燃燒室內(nèi)裝填隔離開的多個(gè)推進(jìn)劑單元,而不分離燃燒室和尾噴管,用任意定時(shí)使各部分推進(jìn)劑分別進(jìn)行燃燒,產(chǎn)生多次推力控制的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。把常規(guī)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)推力分配成多段,并控制各段推力的大小、持續(xù)時(shí)間和時(shí)間間隔,使得其具有射程遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng),以及彈道末段可進(jìn)行推力矢量控制的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

      通過隔板把各脈沖裝藥串置隔開,實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火啟動(dòng),是目前脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)使用最廣、成熟度最高的技術(shù)方案。隔板是脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),隔板把燃燒室內(nèi)多段藥柱隔離開來,實(shí)現(xiàn)分別點(diǎn)火燃燒。隔板技術(shù)主要包括“噴射棒”隔板、陶瓷隔板、鋁膜隔板、柔性隔板層等幾種形式[2]。Nishii等[3]研究了脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)“噴射棒”隔板的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]介紹了柔性隔板層技術(shù)應(yīng)用在AGM-69A導(dǎo)彈的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)上。加拿大在陶瓷隔板脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了較多研究,加拿大國防科學(xué)研究中心[5]和Birstol宇航公司[6]研制了陶瓷隔板試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī),并進(jìn)行了多次成功點(diǎn)火,設(shè)計(jì)的隔板滿足要求。德國完成了鋁膜隔板固體發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究,鋁膜隔板由鋼支撐的熱絕緣結(jié)構(gòu)和鋁膜隔板構(gòu)成。德國BC/P公司研制的120 mm口徑的雙脈發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一系列點(diǎn)火試驗(yàn)[7]。

      文中針對(duì)固體火箭雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)要求,討論了鋁膜隔板及其組件的設(shè)計(jì)方法,對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值分析及試驗(yàn)研究。

      1 鋁膜隔板設(shè)計(jì)

      1.1 設(shè)計(jì)要求

      隔板是脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)多次啟動(dòng)的關(guān)鍵部件,其作用是分隔發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的2個(gè)脈沖藥柱,其位置如圖1所示。

      圖1 鋁膜隔板在發(fā)動(dòng)機(jī)中位置示意圖Fig.1 Aluminum clapboard position schematic diagram in the motor

      一、二脈沖設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)均為7 MPa左右,鋁膜隔板及其支架右側(cè)為一脈沖的燃燒室,在一脈沖藥柱燃燒時(shí),隔板能夠承受住燃燒室持續(xù)的壓力,并保證密封不漏氣,使之與左邊二脈沖藥柱隔絕;在一脈沖工作完成后,經(jīng)過適當(dāng)?shù)拿}沖間隔,二脈沖藥柱點(diǎn)火,隔板在低于工作壓強(qiáng)時(shí)破裂,保證高溫燃?xì)饽苷A鲃?dòng)噴出。因此,鋁膜隔板要具備以下功能[8]:

      (1)承受一脈沖燃燒室壓強(qiáng)的載荷不破裂,且有效密封一脈沖燃?xì)?

      (2)二脈沖點(diǎn)火后,在較低壓強(qiáng)下可破裂,保證二脈沖正常工作;

      (3)破裂后盡量不產(chǎn)生碎片,以免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等結(jié)構(gòu)造成破壞。

      1.2 隔板材料

      純鋁中加入合金元素配制鋁合金,可改變其組織結(jié)構(gòu)與性能,適宜制造各種機(jī)器零件。變形鋁合金具備優(yōu)良的冷、熱加工工藝性能,經(jīng)過熱處理的鋁合金力學(xué)性能得到顯著提高[9]。硬鋁合金2A12力學(xué)性能高,機(jī)械加工性能好,廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域,同時(shí)硬鋁合金2A12取材方便。所以,鋁膜的材料選擇硬鋁合金2A12。圖2是硬鋁合金2A12的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖[10]。

      1.3 隔板及其組件設(shè)計(jì)

      為了滿足2個(gè)脈沖工作的要求,隔板組件由鋁膜、支架和壓板組成。支架和壓板的材料用45碳鋼。在真正的發(fā)動(dòng)機(jī)中,所有的組件都會(huì)有熱防護(hù)層,支架的外面包覆有絕熱層,由于是包裹結(jié)構(gòu),在高溫燃?xì)馔ㄟ^時(shí),絕熱層能夠有效保護(hù)支架。但在冷流試驗(yàn)中,沒有高溫燃?xì)?。所以,省去熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。圖3是冷流試驗(yàn)隔板及其組件示意圖。

      圖2 硬鋁合金2A12應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 σ-ε curve of aluminum alloy 2A12

      裝配中刻痕面朝向一脈沖燃燒室。為了實(shí)現(xiàn)二脈沖低壓破裂,在鋁膜隔板中增加刻痕降低隔板的強(qiáng)度,使得二脈沖工作時(shí),隔板在承壓情況下,薄弱部位的應(yīng)力集中,或者應(yīng)變過大,導(dǎo)致鋁膜破裂。但增加刻痕的同時(shí),也降低了隔板在一脈沖工況下的承載能力。因此,需在隔板的后面支架上增加支撐,支撐的位置和隔板的刻痕處相重合。在一脈沖工作時(shí),隔板和支架一起提供所需的承載能力。在支架的結(jié)構(gòu)中,隔板不需支撐的部分被掏空,為二脈沖工作時(shí)燃?xì)馔ㄟ^提供需要的通道。

      圖3 鋁膜隔板組件示意圖Fig.3 Sketch of the aluminum clapboard assemble

      通過設(shè)計(jì)了一系列的隔板,來研究鋁膜隔板破裂的規(guī)律。具體參數(shù)如表1。

      2 試驗(yàn)裝置

      如圖4所示,試驗(yàn)采用冷流雙脈沖裝置,一、二脈沖集氣室內(nèi)徑180 mm。試驗(yàn)工質(zhì)是氮?dú)狻Qb置由一、二脈沖集氣室和鋁膜隔板組件組成。一、二脈沖集氣室都有測(cè)壓口和進(jìn)氣口。通過調(diào)節(jié)集氣室中的壓強(qiáng)來進(jìn)行隔板密封、承壓以及破裂的試驗(yàn)研究。

      表1 隔板尺寸Table 1 Size of the clapboards mm

      圖4 試驗(yàn)雙脈沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of the dual-pulse test device

      3 數(shù)值計(jì)算分析

      3.1 計(jì)算模型

      兩個(gè)脈沖壓強(qiáng)的升壓是極其短暫的,文獻(xiàn)[11]研究表明,動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析得到的結(jié)果相差很小,穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果具有可信度。利用Ansys進(jìn)行穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析,根據(jù)二脈沖的承載情況,可把隔板作為單獨(dú)的模型進(jìn)行計(jì)算,與其他零件沒有接觸移動(dòng),隔板與壓板的裝配面位移設(shè)置為零;而對(duì)于一脈沖,隔板后面必須有支架的支撐,接觸部分受力后會(huì)有摩擦、有移動(dòng),是接觸問題分析,支撐架與集氣室的裝配面的位移設(shè)置為零。

      3.2 計(jì)算結(jié)果分析

      3.2.1 一脈沖承壓計(jì)算

      文獻(xiàn)[12]給出了45#碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,彈性模量是216 GPa,泊松比0.3,強(qiáng)度極限約為800 MPa。隔板的材料是硬鋁合金2A12,應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,泊松比0.33。文獻(xiàn)[13]表示對(duì)于塑性材料,按照第四強(qiáng)度理論校核。該理論認(rèn)為,引起材料屈服的主要因素是畸變能,且不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài),只要畸變能密度達(dá)到材料單向拉伸屈服的畸變能密度,材料就發(fā)生屈服。按此理論,材料的強(qiáng)度條件為

      許用應(yīng)力與極限應(yīng)力的關(guān)系為

      式中 n為安全因素;對(duì)于塑性材料,n一般取值為1.5 ~2.2,σb為極限應(yīng)力。

      由于試驗(yàn)為冷流加壓試驗(yàn),沒有高溫和轉(zhuǎn)動(dòng),試驗(yàn)環(huán)境良好,所以此處的n取值為1.5。因此,支架的許用應(yīng)力為530 MPa,隔板的許用應(yīng)力為300 MPa。

      一脈沖的工作壓強(qiáng)在7 MPa左右,有效厚度為2.5 mm的隔板C,在壓強(qiáng)8.5 MPa下的應(yīng)力云圖如圖5所示。

      圖5 隔板C在一脈沖壓力為8.5 MPa下的應(yīng)力圖Fig.5 Stress of clapboard C under 8.5 MPa in pulse one

      隔板C是最薄的隔板,當(dāng)一脈沖壓力為8.5 MPa時(shí),鋁膜隔板的最大應(yīng)力287 MPa。支架的危險(xiǎn)部分是十字支架的中間連接部分以及十字支架與外圓連接處,此處大部分的應(yīng)力不超過400 MPa,最大的應(yīng)力值為514 MPa。從計(jì)算結(jié)果可看出,隔板和支架的應(yīng)力都在安全范圍之內(nèi),能滿足一脈沖使用要求。

      3.2.2 二脈沖破裂計(jì)算

      雖然硬鋁合金為塑性材料,但按照脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的要求,二脈沖時(shí)鋁膜隔板需要破裂,而不僅僅是屈服。由圖2可看出,在達(dá)到強(qiáng)度極限后,鋁合金2A12也沒有馬上斷裂。根據(jù)文獻(xiàn)[14]表1所列的常見斷裂準(zhǔn)則,二脈沖的計(jì)算用塑形準(zhǔn)則來判斷破裂問題,ε=0.028。

      如圖6所示,隔板A在6 MPa壓強(qiáng)下,最大應(yīng)變出現(xiàn)在刻痕集中處,也就是整個(gè)隔板的中間。此時(shí),應(yīng)變超過了0.028。隔板已開始破裂。所以,計(jì)算得出隔板A二脈沖下的破裂壓強(qiáng)約為6 MPa,見表2。

      圖6 隔板A在6 MPa壓強(qiáng)下的應(yīng)變Fig.6 The strain of claoboard A under 6 MPa

      表2 計(jì)算的破裂壓強(qiáng)Table 2 calculated pressure of broken

      4 試驗(yàn)結(jié)果分析

      進(jìn)行了4個(gè)隔板的試驗(yàn),尺寸如表1所示,隔板C試驗(yàn)件如圖7所示,其余類似。所有隔板都是先進(jìn)行一脈沖承壓試驗(yàn),先將一脈沖集氣室壓強(qiáng)升到高于7 MPa,并保持1 min左右后泄壓;然后,給二脈沖集氣室加壓,直到隔板破裂為止。通過測(cè)量2個(gè)集氣室的壓強(qiáng)來確定密封是否完好,一脈沖時(shí)隔板能否承壓。

      圖7 隔板C試驗(yàn)件Fig.7 Clapboard C

      隔板C的一脈沖承壓試驗(yàn)的壓強(qiáng)曲線如圖8(a)所示。一脈沖時(shí),壓強(qiáng)逐漸升高到7.6 MPa,然后保持到60 s,然后泄壓。在整個(gè)過程中,二脈沖集氣室的壓強(qiáng)保持大氣壓不變。從試驗(yàn)曲線可看出,隔板組件能夠承受住7 MPa的壓力,且密封良好。

      隔板C二脈沖破裂試驗(yàn)的壓強(qiáng)曲線如圖8(b)所示。當(dāng)壓強(qiáng)升高到5.2 MPa時(shí)隔板破裂,二脈沖集氣室中的氣體沖入到一脈沖集氣室中,使得一脈沖集氣室的壓強(qiáng)曲線突然升高;然后,2個(gè)集氣室壓強(qiáng)在一脈沖進(jìn)氣口未封閉的情況下,共同下降到大氣壓。

      破裂后的隔板如圖9所示,隔板像花瓣一樣炸裂,根據(jù)破裂情況的規(guī)則性,幾乎不會(huì)產(chǎn)生碎片,且在熱試的情況下,即便當(dāng)碎片產(chǎn)生時(shí),噴管有硅橡膠等包覆的絕熱層保護(hù),高溫燃?xì)饪裳杆偃诨X,從而提高推進(jìn)劑的能量,滿足隔板破裂后不影響噴管等結(jié)構(gòu)的要求。

      圖8 一、二脈沖集氣室壓強(qiáng)曲線Fig.8 Chamber pressure of the first and second pulse

      圖9 破裂試驗(yàn)后的鋁膜隔板C照片F(xiàn)ig.9 Photograph of breaking aluminum clapboard C

      試驗(yàn)表明,對(duì)于隔板A、B、C,刻痕處隔板的厚度均為1.5 mm,隨著隔板整體的厚度的減小,二脈沖的破裂壓強(qiáng)也隨之減小。圖10顯示,隔板的破裂開口隨著隔板整體厚度減小而增大。對(duì)于隔板B、D,刻痕深度均為1.5 mm,隨著刻痕處隔板厚度的增加,二脈沖的破裂壓強(qiáng)急劇增加,相差0.5 mm的BD隔板的破裂壓強(qiáng)相差2 MPa之多??梢?,隔板最薄弱處的厚度對(duì)隔板的二脈沖破裂壓強(qiáng)有著決定性的影響,見表3。

      表3 不同隔板的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of different clapboards

      圖10 試驗(yàn)后的隔板Fig.10 Clapboards after the test

      5 結(jié)論

      (1)由壓板、鋁膜和支架組成的隔板組件在脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)中,能保證一脈沖的承壓和二脈沖的破裂。

      (2)此組件在一脈沖時(shí)能有效密封保證一脈沖正常工作,且能在二脈沖低于工作壓強(qiáng)下破裂,保證二脈沖的正常工作。

      (3)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究都表明,在隔板刻痕集中處,即隔板中心處最先破裂。整個(gè)隔板呈花瓣一樣炸開,不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響。

      (4)當(dāng)刻痕處隔板有效厚度相同時(shí),二脈沖的破裂壓強(qiáng)隨著隔板整體厚度的增加而增加。0.5 mm的厚度會(huì)增加二脈沖的破裂壓強(qiáng)0.5 MPa左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,破裂后開口的大小隨厚度的增加而減小。

      (5)當(dāng)刻痕的深度一樣時(shí),二脈沖的破裂壓強(qiáng)隨著刻痕處隔板厚度的增加急劇增加??毯厶?.5 mm的厚度差導(dǎo)致了破裂壓強(qiáng)2 MPa之多。所以,刻痕處的隔板厚度對(duì)于隔板的二脈沖破裂壓強(qiáng)起著決定性的作用。

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