喻 峰,周福祥
(江南機(jī)電設(shè)計研究所,貴州 貴陽 550025)
裝填式管狀藥柱的燃?xì)獍l(fā)生器[1]工作時理論上是恒定壓強(qiáng),但在很多型號研制初期會出現(xiàn)壓強(qiáng)持續(xù)升高或者后半段持續(xù)下降等現(xiàn)象,小直徑燃?xì)獍l(fā)生器出現(xiàn)的頻率更高。壓強(qiáng)過高會對結(jié)構(gòu)安全性本不存在燃?xì)鉀_刷前端限燃層導(dǎo)致脫落。而后端燃?xì)饬鲿铀俚?0~50 m/s,當(dāng)限燃層粘貼工藝有缺陷或不穩(wěn)定時,燃?xì)獍l(fā)生器[2-3]后端限燃層受燃?xì)饬鳑_刷導(dǎo)致局部脫落可能性較大。推進(jìn)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(dǎo)致壓強(qiáng)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?xì)饬魇紫赛c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(dǎo)致總?cè)济媾c理論不符,因此壓強(qiáng)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(qiáng)變化的原因,研究結(jié)果表明該分析方法能有效評判試驗壓強(qiáng)異?,F(xiàn)象,對改進(jìn)藥柱和燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。
以某項目燃?xì)獍l(fā)生器為例,其裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示,推進(jìn)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(jìn)劑性能參數(shù)如下:
(1)推進(jìn)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。
為了便于研究機(jī)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(shè)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(jìn)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。
推進(jìn)劑總?cè)济孀兓^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(dāng)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(jié)束。
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。
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(dāng)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(jié)束。
從圖1到圖4中可以看出,當(dāng)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(dāng)后端面直段燃面消失后,圓弧段燃面逐漸增大,總?cè)济嬷鸩教?,?dāng)限燃層全部脫落后,圓弧段燃面急劇下降,導(dǎo)致總?cè)幻嫦陆?,直到燃燒結(jié)束。內(nèi)孔限燃層脫落和外孔限燃層脫落,總?cè)济嫦嘟?,?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(qiáng)如圖5所示。
固體火箭發(fā)動機(jī)工作原理為點火器工作產(chǎn)生初始高溫高壓燃?xì)?,燃?xì)庋杆倭鹘?jīng)推進(jìn)劑表面使推進(jìn)劑開始燃燒,因此燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑起始燃燒面與裝藥燃面形狀有很大的關(guān)系。大多數(shù)燃?xì)獍l(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(dāng)燃?xì)獍l(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?xì)饬魉查g占據(jù)內(nèi)孔空間,從而首先點燃內(nèi)圓表面推進(jìn)劑。由于外圓與殼體間隙很小,點火燃?xì)饬鞯饺紵液蠓忸^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(dǎo)致燃面推移變化,最終影響燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室壓強(qiáng)。
根據(jù)以上機(jī)理,仍用上述藥柱結(jié)構(gòu)建立燃速模型,推理單根管型藥柱燃面推移,從而預(yù)示燃燒室壓強(qiáng)。
(a)推進(jìn)劑燃速理論值為15 mm/s。
(b)內(nèi)圓推進(jìn)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(jìn)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(dá)到穩(wěn)定燃速。
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(qiáng)沒有變化。由于內(nèi)、外圓燃速差異導(dǎo)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(dǎo)致流量偏小;建壓完成后,外圓仍然提升燃速,直到某時刻達(dá)到穩(wěn)態(tài)燃燒,相比理論設(shè)計,總?cè)济娉手鸩郊哟筅厔荩鐖D6所示。
理論燃速15 mm/s,工作時間1.7 s,燃燒室平均壓強(qiáng)9.86 MPa。由于內(nèi)外圓燃速不一致,實際壓強(qiáng)達(dá)到平衡后,逐漸升高,根據(jù)假設(shè)條件的設(shè)置,最大壓強(qiáng)達(dá)到11 MPa,如圖7所示。
以下是某燃?xì)獍l(fā)生器理論與實際壓強(qiáng)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(dǎo)致壓強(qiáng)呈現(xiàn)逐步抬升趨勢。設(shè)計平衡壓強(qiáng)9.1 MPa,而實際壓強(qiáng)逐漸上升到最大壓強(qiáng)10 MPa。
常規(guī)燃?xì)獍l(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?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道與理論差異較大,特別是有前后包覆結(jié)構(gòu)的管狀藥柱,限燃層的脫落導(dǎo)致燃面發(fā)生較大的變化,隨之會對燃?xì)獍l(fā)生器的性能產(chǎn)生不利影響。因此必須嚴(yán)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(shè)計角度來看,嚴(yán)格設(shè)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(yán)重影響內(nèi)、外圓推進(jìn)劑表面燃速一致性,導(dǎo)致壓強(qiáng)逐漸抬升的現(xiàn)象。