燃氣舵燒蝕地面模擬實驗設計與計算

鄭興宇

燃氣舵一般安裝在發動機噴管的后面，通過舵面的作動使得羽流偏轉產生側向力來達到發動機推力矢量控制的目的。但燃氣舵在發動機工作時，長時間暴露在高溫高速燃氣流中，工作環境十分惡劣，不僅要承受很大的熱負載，而且還要和燃氣發生化學發應，造成舵面的燒蝕，如果燃氣流中含有凝相顆粒，舵面還要經受機械沖蝕的考驗。

本文設計實驗首先針對指定燃氣舵開展舵面溫度場分布、內部溫度和熱應力分布、體積燒蝕等數值計算，再對燃氣舵燒蝕進行實驗模擬。根據計算結果與實驗結果的綜合分析，對燃氣舵燒蝕情況進行客觀準確的評估，并對燃氣舵的熱結構防護提出改進意見。

1 燒蝕試驗發動機初步設計

燒蝕試驗發動機設計的依據主要是對發動機出口截面的燃氣參數提出了要求，現將具體參數假設見表1所示。

表1 出口截面參數要求

2 燒蝕試驗發動機技術方案

2.1 燒蝕試驗發動機研制的指導思想

設計中盡可能采用已有的成熟技術或具有預研基礎的技術，在滿足產品使用功能、保證設計質量，實現設計方案的前提下，選用結構簡單、生產成本低的技術途徑。并在發動機外形結構和裝藥結構上，參照同類型發動機結構和我國現有的成熟的推進劑配方，提出切實可行的技術方案。

2.2 燒蝕試驗發動機總體方案選擇

1）根據系統總體對發動機提出的技術要求，決定采用端面燃燒的裝藥結構；

2）由于燒蝕試驗發動機是多次使用的發動機，故采用厚壁結構，且采用裝配簡單可靠的法蘭連接結構；

3）發動機由點火裝置、燃燒室、裝藥和噴管等零、部、組件組成，燃氣舵試驗件與噴管殼體法蘭連接；

4）燃燒室殼體采用優質合金鋼30CrMnSiA機加而成；

5）噴管和燃燒室內表面均有絕熱層；

6）使用常用的三組元丁羥復合推進劑作為燃燒室裝藥。其出口截面的燃氣參數“平均分子量”、“氣體常數”和“凝相含量”由推進劑配方決定，“壓強”、“溫度”、“密度”和“速度”等由發動機總體參數決定。

3 燒蝕試驗發動機設計計算

3.1 燒蝕試驗發動機總體設計

發動機總體設計主要包括確定發動機結構、選擇殼體材料、選擇推進劑和確定主要設計參量（燃燒室外徑、燃燒室壓強、膨脹比和噴管喉部直徑）。

3.1.1 殼體材料選擇

燃燒室殼體、噴管材料均采用30CrMnSiA合金鋼，該材料來源豐富，價格便宜，性能穩定，它的最大優點是不含我國稀有合金元素-鎳，而它的機械性能與鉻鎳鉬鋼相近，其短時高溫性能、成形性能和焊接性能均良好。是我國目前固體火箭發動機主要用材之一。廣泛應用于中小型發動機上。

4 數值模擬驗證

基于燃氣舵發動機流動特性，選用FLUENT中k-ε湍流模型對實驗方案進行數值模擬，分析燃氣舵在工作時內流場分布。通過計算結果對內部產生能量損失和燒蝕的原因與位置進行分析，有助于優化燃氣舵設計改進。

在未安裝燃氣舵前，燃氣舵前端面所在位置噴管截面參數為：平均溫度2720K，出口平均靜壓0.5MPa，出口平均速度2210m/s。基本符合設計要求。燃氣舵前端面氣流停滯，燒蝕最為嚴重。

綜上可知，通過合理的設計實驗模擬火箭發動機，完全能夠模擬規定工況，對燃氣舵在不同工作狀態下的燒蝕情況進行模擬實驗。

[責任編輯：楊玉潔]