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      嵌長(zhǎng)金屬絲藥柱燃速測(cè)試方法研究

      2015-12-31 11:48:04張偉青
      上海航天 2015年1期
      關(guān)鍵詞:燃面燃速金屬絲

      陽 潔,張 魯,張偉青

      (上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所,上海 201109)

      0 引言

      燃速是推進(jìn)劑性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)和影響導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能的核心參數(shù)。嵌金屬絲藥柱的裝藥形式可大幅提高端面燃燒藥柱燃速,既可有效滿足導(dǎo)彈總體的長(zhǎng)時(shí)間、大推力性能要求,又能彌補(bǔ)推進(jìn)劑燃速調(diào)節(jié)范圍有限的缺憾,因而在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。為較準(zhǔn)確地預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)性能,采用嵌金屬絲藥柱的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)藥柱燃速的準(zhǔn)確性要求較高,而嵌入金屬絲后,推進(jìn)劑本體的基礎(chǔ)燃速已無法表征燃速特性。因此,尋求有效的嵌金屬絲藥柱燃速測(cè)量方法,成為發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵之一。

      本文基于國(guó)內(nèi)外嵌金屬絲藥柱燃速測(cè)試的方法,本文對(duì)一種新的燃速測(cè)試方法——標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法進(jìn)行了研究。

      1 燃燒機(jī)理

      嵌金屬絲端燃藥柱內(nèi)部沿藥柱軸向嵌有金屬絲。金屬絲一般選用導(dǎo)熱性能較好的銀絲[1]。因金屬絲的高導(dǎo)熱特性,高溫燃?xì)鉄崃垦亟饘俳z方向快速傳遞,其周圍的推進(jìn)劑被迅速加熱,形成金屬絲加熱區(qū),如圖1所示。當(dāng)推進(jìn)劑被加熱到燃燒的臨界溫度時(shí),立刻被點(diǎn)燃。由于沿金屬絲方向的燃速遠(yuǎn)大于推進(jìn)劑本身的燃速,因此形成了以金屬絲為中心的錐孔,且錐孔形成的燃面遠(yuǎn)大于原端面燃燒面積。

      圖1 嵌長(zhǎng)金屬絲推進(jìn)劑燃燒模型Fig.1 Propellant burning model with embedded metal wire

      2 燃速常用測(cè)試方法

      目前,嵌金屬絲藥柱燃速測(cè)量方法主要有靶線法、發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法和發(fā)動(dòng)機(jī)X射線實(shí)時(shí)影像法。

      2.1 靶線法

      按尺寸要求制作嵌金屬絲藥條方坯,并用醋酸纖維素-丙酮包覆,如圖2所示。其原理是將包覆的嵌金屬絲藥柱試樣鉆孔穿入靶線,在規(guī)定的試驗(yàn)壓強(qiáng)和溫度下,在氮?dú)庵袦y(cè)定燃盡試樣靶線長(zhǎng)度所需時(shí)間,計(jì)算出燃速。測(cè)試時(shí)用直徑0.5~0.6mm的鉆頭鉆孔,設(shè)置點(diǎn)火絲孔和第一、第二靶孔,其中兩靶孔方向一致;將靶線穿入靶孔。將試藥條固定在燃速儀上,充入氮?dú)庵林付▔簭?qiáng),然后進(jìn)行保溫。當(dāng)燃速儀內(nèi)壓強(qiáng)與溫度達(dá)到規(guī)定范圍值時(shí)點(diǎn)火。則燃速(用靶線法測(cè)得的燃速通常稱為靜態(tài)燃速)

      式中:Leff為靶距;t為燃盡靶距所需時(shí)間。

      圖2 嵌金屬絲藥條方坯Fig.2 Grain article with embedded metal wire

      2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法

      發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法測(cè)試裝置如圖3所示。其工作原理是中止發(fā)動(dòng)機(jī)工作一定時(shí)間后,使燃燒室壓強(qiáng)突然迅速下降,燃燒中止。

      圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法裝置Fig.3 Device of motor burning-stop method

      對(duì)嵌長(zhǎng)金屬絲藥柱,垂直于燃面方向的燃速為推進(jìn)劑基礎(chǔ)燃速,沿金屬絲方向的燃速遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)燃速,有

      式中:α為繞金屬絲燃燒錐的錐頂角;rw/r0為沿金屬絲方向燃速與基礎(chǔ)燃速的比率[2]。

      根據(jù)式(2),由中止發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)測(cè)量錐頂角可計(jì)算燃速比,并根據(jù)基礎(chǔ)燃速可得推進(jìn)劑沿金屬絲方向的燃速。

      2.3 X射線實(shí)時(shí)影像法

      采用X射線影像增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)中嵌長(zhǎng)金屬絲藥柱燃燒過程中燒去肉厚與時(shí)間的關(guān)系,以確定推進(jìn)劑的基礎(chǔ)燃速和沿金屬絲方向的燃速。X射線實(shí)時(shí)影像法工作原理如圖4所示。

      圖4 X射線實(shí)時(shí)影像法Fig.4 Real time X-ray image method

      2.4 三種測(cè)試方法比較

      上述三種燃速測(cè)試方法的評(píng)價(jià)見表1。

      3 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法

      上述嵌金屬絲藥柱燃速測(cè)試方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),而全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)燃速測(cè)試,雖然在發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位具有可行性,且數(shù)據(jù)精度較高,但缺點(diǎn)是成本過高。為此,本文提出了一種用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行嵌金屬絲藥柱燃速測(cè)試的新方法。

      3.1 原理

      由燃速冪函數(shù)模型

      可知,同種推進(jìn)劑澆注的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)與全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)相同[3]。此處:a,n分別為推進(jìn)劑燃速系數(shù)和壓強(qiáng)指數(shù);p為工作壓強(qiáng)。因此,以標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)嵌金屬絲藥柱工作工況,測(cè)得的燃速可用于表征全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)嵌金屬絲藥柱的動(dòng)態(tài)燃速。由標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定工況下的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線,確定嵌金屬絲藥柱有效長(zhǎng)度燃盡所需時(shí)間,用式(1)可得到該壓強(qiáng)下的燃速。

      表1 三種測(cè)試方法Tab.1 Three measurement methods

      此外,采用一組試驗(yàn)件在規(guī)定的溫度點(diǎn)下,通過改變壓強(qiáng)值可得到壓強(qiáng)指數(shù),或在要求的壓強(qiáng)下,通過改變溫度值獲取溫度敏感系數(shù),得到表征推進(jìn)劑燃燒性能的主要參數(shù)。

      3.2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)組成

      標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由燃燒室殼體、噴管、藥柱、點(diǎn)火裝置等組成,殼體外徑為φ70mm,長(zhǎng)度可根據(jù)藥柱燃速進(jìn)行調(diào)節(jié),如圖5所示。其結(jié)構(gòu)件應(yīng)可重復(fù)使用,如采用厚壁殼體,噴管喉襯采用鎢滲銅等。

      圖5 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of standard motor

      3.3 數(shù)據(jù)處理方法

      根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)給出的壓強(qiáng)-時(shí)間試驗(yàn)曲線確定燃速,方法有兩種:第一種適于曲線特征點(diǎn)明顯的數(shù)據(jù)處理,判讀誤差?。坏诙N無使用限制。

      a)方法一:判讀嵌金屬絲藥柱有效長(zhǎng)度燃盡所需時(shí)間,由式(1)可計(jì)算該壓強(qiáng)下的燃速。

      b)方法二:判讀發(fā)動(dòng)機(jī)平衡段工作壓強(qiáng)推算推進(jìn)劑的

      式中:p為平衡段壓強(qiáng);c*,ρ分別為推進(jìn)劑特征速度和密度;At為發(fā)動(dòng)機(jī)喉徑;Ab為藥柱燃面。

      此外,采用一組試驗(yàn)件在規(guī)定的溫度點(diǎn)下,改變壓強(qiáng)值可得壓強(qiáng)指數(shù),或在要求的壓強(qiáng)下,通過改變溫度值獲取溫度敏感系數(shù),獲得表征推進(jìn)劑的燃燒性能的主要參數(shù)。

      3.4 應(yīng)用

      采用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法測(cè)試某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)嵌銀絲藥柱燃速,并將結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃速和靶線法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

      3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法

      標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。藥量約3kg,噴管喉徑按發(fā)動(dòng)機(jī)燃速測(cè)試壓強(qiáng)4MPa的要求設(shè)計(jì)。

      表2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Main structure paremeters

      3.4.2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

      發(fā)動(dòng)機(jī)總裝后進(jìn)行保溫,溫度達(dá)到規(guī)定范圍值后點(diǎn)火。

      根據(jù)藥柱有效長(zhǎng)度與p-t曲線讀取的燃盡時(shí)間,由式(1)可得r=284.3/3.1=91.7mm/s。其中:藥柱Leff根據(jù)平衡段燃面推移理論確定,如圖6所示;時(shí)間t為由試車曲線確定的藥柱有效長(zhǎng)度的燃燒時(shí)間,如圖7所示。

      圖6 藥柱有效長(zhǎng)度Fig.6 Effect length of grain

      圖7 有效長(zhǎng)度燃燒時(shí)間Fig.7 Burning time of effective length

      3.4.3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

      除標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法外,還采用靶線法對(duì)同鍋推進(jìn)劑進(jìn)行了燃速測(cè)試。利用兩種方法的測(cè)試結(jié)果,分別對(duì)全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行預(yù)示,并與該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表3。由表可知:標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法測(cè)試結(jié)果更接近推進(jìn)劑實(shí)際燃速,能更準(zhǔn)確地預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能。

      表3 預(yù)示性能與實(shí)際性能Tab.3 Proposed and real performance

      3.5 評(píng)價(jià)和建議

      標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法測(cè)試精度較高,燃速測(cè)試范圍較寬,且無特殊設(shè)備要求,適合發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位使用。該方法目前存在的主要缺點(diǎn)是藥柱有效長(zhǎng)度和有效工作時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)值需人工判讀,較易出錯(cuò)。對(duì)此,本文建議通過構(gòu)造特征點(diǎn),即預(yù)制藥柱臺(tái)階,利用其產(chǎn)生的燃面效應(yīng)設(shè)置壓強(qiáng)拐點(diǎn),以降低誤讀誤判的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)一步提高測(cè)試的準(zhǔn)確度。

      根據(jù)平衡壓強(qiáng)公式

      對(duì)給定的推進(jìn)劑和At,p會(huì)隨Ab變化而變。

      預(yù)制藥柱臺(tái)階將使燃面變化,導(dǎo)致壓強(qiáng)產(chǎn)生特征點(diǎn),據(jù)此可判讀藥柱有效長(zhǎng)度和燃盡所需的時(shí)間。預(yù)制特征點(diǎn)的藥柱結(jié)構(gòu)如圖8所示,預(yù)制特征點(diǎn)的p-t曲線如圖9所示。

      圖8 預(yù)制特征點(diǎn)的藥柱結(jié)構(gòu)Fig.8 Grain structure with characteristic point prefabricated

      圖9 預(yù)制特征點(diǎn)的p-t曲線Fig.9 p-t curve of characteristic point prefabricated

      4 結(jié)束語

      本文探討了嵌金屬絲藥柱燃速的測(cè)試方法,并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的嵌金屬絲燃速測(cè)試方法(標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法)。不同方法及其測(cè)試效果的比較結(jié)果,證明了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試法的精度優(yōu)于燃速儀測(cè)試法,是一種測(cè)試精度較高、可操作性較強(qiáng)的方法,適合發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位使用。

      [1] 張 魯.某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)含銀絲端面燃燒藥柱初始燃面的優(yōu)化[C]//中國(guó)航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第30屆技術(shù)交流會(huì).廈門:[s.n.],2005:50-54.

      [2] 方 丁,張為華,楊 濤.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道學(xué)[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1997.

      [3] 李宜敏,張中飲,張遠(yuǎn)君.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1991.

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