非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素分析*

唐金蘭，胡 博，李進賢，馮喜平

(固體火箭發(fā)動機燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場國防科技重點實驗室，西安 710072)

0 引言

隨著導(dǎo)彈防御技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈的機動性和突防能力是各國十分關(guān)注的問題之一。為了提高導(dǎo)彈的機動性和突防能力，一般要求導(dǎo)彈具有飛行姿態(tài)、攻角、速度等多參數(shù)可調(diào)功能，而固體火箭姿軌控技術(shù)很大程度上解決了這個問題。燃氣流量調(diào)節(jié)式通過改變發(fā)動機的燃氣流量來調(diào)節(jié)推力，以完成導(dǎo)彈的姿軌控制。目前，燃氣流量控制最有效的方法是利用機械調(diào)節(jié)發(fā)動機的噴管喉面積來控制發(fā)動機的工作壓強，從而實現(xiàn)發(fā)動機的燃氣流量控制，達到推力大小調(diào)節(jié)的目的。

文中主要是對非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的喉部型面與喉部過渡型面、喉栓直徑、喉栓型面、非同軸角度等因素對推力調(diào)節(jié)性能的影響加以分析，研究結(jié)果對后續(xù)的非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的實驗器設(shè)

1 推力調(diào)節(jié)噴管的工作原理

非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動機具有的特點包括:

1)較大的推力調(diào)節(jié)范圍，調(diào)節(jié)比可達2～10;

2)快速的推力調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，通常響應(yīng)時間為0.1 ～ 0.01s;

3)采用獨立的小型固體火箭發(fā)動機系統(tǒng)，在需要時可按要求點火并調(diào)節(jié)推力大小。

喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的工作原理如圖1所示，非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動機燃氣姿軌控原理如圖2所示。

由圖1可見，非同軸式推力調(diào)節(jié)噴管通過改變喉栓在噴管軸線上的位置，帶來等效喉部面積的變化，達到單個發(fā)動機推力調(diào)節(jié)的目的。

由圖2可見，通過安裝于彈體周圍4個位置上推力大小可調(diào)發(fā)動機的直接配合，可實現(xiàn)導(dǎo)彈的的姿軌控制功能。例如，安裝于彈體周圍(參見圖2)的4臺非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動機的2號噴管同時調(diào)節(jié)至大推力，可實現(xiàn)導(dǎo)彈的翻滾;而三號發(fā)動機的1號噴管與二、四號發(fā)動機的2、3噴管調(diào)節(jié)至大推力，可實現(xiàn)導(dǎo)彈的偏航等。

圖2 燃氣姿軌控制原理

2 推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素分析

對于推力可調(diào)的發(fā)動機，主要關(guān)心的是發(fā)動機所能達到的推力調(diào)節(jié)范圍及影響推力調(diào)節(jié)范圍的因素。發(fā)動機推力的計算式:

對于喉栓式推力調(diào)節(jié)發(fā)動機，因喉栓的移動改變了噴管的等效喉部面積，從而改變了發(fā)動機的燃燒室工作壓強、燃氣質(zhì)量流率、噴氣速度等參數(shù)，進而改變了發(fā)動機的推力。因此，所有影響噴管等效喉部面積的因素均影響喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管的性能。文中以非定常可壓縮時均化 N-S方程、RNG k－ε湍流模型為基礎(chǔ)，圖1所示的喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管為研究對象，針對不同的喉栓調(diào)節(jié)位置，利用式(1)，對喉栓型面、喉栓直徑、噴管喉部與收斂段的過渡型面、非同軸角度等因素對發(fā)動機推力的影響展開討論，且在討論中認為，發(fā)動機內(nèi)的燃氣為理想氣體，在喉栓調(diào)節(jié)過程中推力大小隨喉栓的位置變化是連續(xù)變化的，推力的最大值與最小值在喉栓位置的兩個極值出現(xiàn)。

2.1 等效喉部面積對推力可調(diào)性能的影響

其中喉栓式推力可調(diào)噴管等效喉部面積計算如圖3所示。

圖3 等效喉部面積的計算

如圖3(a)所示，喉栓式可調(diào)噴管的上壁面為噴管(包括收斂段、收斂段與喉部上游過渡段、喉部、擴張段)，下壁面為喉栓(喉栓半徑為 b)，對于一定的喉栓調(diào)節(jié)位置，直線段AB繞x軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的扇環(huán)形錐面即為喉栓式可調(diào)噴管的等效喉部面積ST(其中直線段AB為喉栓所在調(diào)節(jié)位置時，流體通過喉部所形成的流管的截面在垂直于喉面的平面上的投影，C、O分別為延長AB所得到的與y軸和x軸的交點，此時A、B兩點的位置分別在喉部和喉栓上參見圖3(b))，ST由下式計算:

文中對圖4所示的不同喉栓型面(單位(mm))、在不同喉栓行程(對于不同的喉栓型面，均采取喉栓頂端距離噴管幾何喉部截面2mm處沿軸線進入噴管喉部的運動，稱為喉栓行程)、不同的噴管喉部與收斂段過渡型面的噴管等效喉部面積進行了計算，計算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 文中所采用不同喉栓型面示意圖

圖5 不同喉栓型面、收斂段與喉部直線(y=－0.27x+4.75)過渡的噴管等效喉部面積隨喉栓行程的變化曲線

圖6 不同喉栓型面、收斂段與喉部曲線(y=e(－x)/4+4.5)過渡的噴管等效喉部面積隨喉栓行程的變化曲線

由圖5、圖6可見喉栓行程與等效喉部面積的變化關(guān)系，當收斂段與喉部采用直線型過渡時，不同喉栓型面的噴管等效喉面積的變化均趨于線性化，有利于喉栓運動的調(diào)節(jié)控制(參見圖5)。因此在后續(xù)的實驗器設(shè)計中，建議收斂段與喉部采用直線段過渡。

不同喉栓型面、收斂段與喉部直線型過渡時推力與喉栓行程(即喉栓調(diào)節(jié)位置)的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同喉栓型面、收斂段與喉部直線型過渡時推力隨喉栓行程變化的關(guān)系

由圖7可見，橢球型和拋物體型喉栓對發(fā)動機推力的調(diào)節(jié)規(guī)律基本一致，而錐形喉栓對推力的調(diào)節(jié)速度更快、更趨于線性，便于控制。

通過前面的分析計算認為，喉栓型面采用直錐體型、收斂段與喉部直線型過渡的推力可調(diào)噴管具有調(diào)節(jié)速度快、線性好、便于控制等優(yōu)點。

2.2 進氣角度對推力可調(diào)噴管性能的影響

對于直錐體型喉栓、收斂段與喉部直線型過渡的推力可調(diào)噴管，在喉栓直徑一定的情況下，針對3個喉栓調(diào)節(jié)位置(參見圖3(a))，討論了非同軸進氣角度對推力可調(diào)噴管性能的影響。典型的計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 直錐體型喉栓、收斂段與喉部直線型過渡的推力可調(diào)發(fā)動機推力隨不同進氣角度的變化

由圖8可見，不同的進氣角度(即非同軸角度)幾乎對推力調(diào)節(jié)沒有影響，因此，進氣角度不是優(yōu)先考慮的設(shè)計因素。

2.3 喉栓直徑對推力可調(diào)噴管性能的影響

對于直錐體型喉栓、收斂段與喉部直線型過渡的推力可調(diào)噴管，在進氣角度一定(60°)的情況下，討論了喉栓半徑對推力可調(diào)噴管性能的影響。典型的計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同喉栓半徑下的推力調(diào)節(jié)對比

喉栓半徑的變化對推力調(diào)節(jié)的影響較為明顯，但是壓強變化更加顯著，基于實際情況考慮，能夠承受最大壓強的情況下，選取喉栓半徑大的喉栓更佳。

3 結(jié)論

通過對非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素分析，可以得到以下結(jié)論:

1)不同的喉栓型面會帶來推力調(diào)節(jié)規(guī)律的變化，而收斂段與喉部直線型過渡、喉栓型面為錐體型時，推力調(diào)節(jié)規(guī)律趨于線性，有利于調(diào)節(jié)控制。

2)進氣角度對于非同軸喉栓式調(diào)節(jié)噴管的推力調(diào)節(jié)性能影響很小，故設(shè)計時可以根據(jù)總體的實際安裝需求設(shè)計進氣角度，而不必考慮調(diào)節(jié)性能的改變。

3)在噴管幾何喉徑一定的情況下，喉栓的直徑在滿足推力調(diào)節(jié)比、燃燒室最大工作壓強等要求下取最合適的尺寸。

總之，通過對非同軸喉栓式推力調(diào)節(jié)噴管性能影響因素的數(shù)值模擬分析，得到了影響噴管調(diào)節(jié)性能的主要因素，為之后的實驗器設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

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