縮短短時間工作發動機點火時間方法*

王立武, 趙 昆, 馮曉柏, 劉 沛, 林志遠

(中國航天科技集團第四研究院第41研究所, 西安 710025)

縮短短時間工作發動機點火時間方法*

王立武, 趙 昆, 馮曉柏, 劉 沛, 林志遠

(中國航天科技集團第四研究院第41研究所, 西安 710025)

為了獲得縮短短時間工作固體發動機點火時間的方法,建立了短時間工作發動機點火過程瞬態模型,確定了影響發動機點火時間的關鍵因素。采用理論分析和試驗驗證相結合的方法,分析了燃燒室裝藥結構對點火時間的影響。結果表明,通過合理設計燃燒室裝藥結構,縮短推進劑燃燒階段的時間,可以有效縮短短時間工作發動機的點火時間。

裝藥結構;短時間工作;固體發動機;點火時間

0 引言

在導彈的級間分離環節,為提高分離可靠性,廣泛采用短時間、大推力小型固體火箭發動機為分離提供動力[1]。導彈總體對此類發動機點火時間及點火時間同步性提出了苛刻的要求,一般要求同鍋裝藥同溫條件下發動機點火時間為幾十毫秒,不同發動機的點火時間相差僅幾毫秒。因此,如何更好更有效縮短此類發動機的點火時間是亟待解決的問題。

短時間工作固體發動機的點火時間指從點火器接受爆轟開始計算,到發動機推力達到80%平均推力的時間間隔。發動機的點火過程十分復雜,影響點火時間的因素較多,目前沒有針對短時間工作發動機點火過程的專門研究。

文中采用理論分析與試驗驗證相結合的方法,建立了短時間工作發動機點火過程瞬態模型,確定了影響發動機點火時間的關鍵因素,獲得了縮短發動機點火時間的有效途徑。

1 發動機點火瞬態模型

1.1 短時間工作發動機點火過程分析

短時間工作發動機的推力-時間和壓強-時間曲線見圖1,在發動機點火過程中,工作壓強經歷一個初始壓強峰值后下降,隨后壓強不斷上升。第一個壓強峰是點火器燃氣進入燃燒室引起的,隨后的壓強上升是推進劑開始燃燒導致的。此外,第一個壓強峰值后的某一時刻,發動機推力從零開始上升,表明噴管堵蓋已經打開,t0時刻即是堵蓋打開時間。

短時間工作發動機的點火過程見圖2,可以分為4個階段:點火延遲階段,點火器發火階段,點火器點火階段,推進劑燃燒階段。1)點火延遲階段:從點火器接受爆轟開始至點火器開始發火(0～ty);2)點火器發火階段:從點火器發火開始至點火器工作結束(ty～tg);3)點火器點火階段:從點火器發火結束至燃燒室裝藥開始燃燒(tg～tx);4)推進劑燃燒階段:從燃燒室裝藥開始燃燒至發動機推力達到80%平均推力(tx～t)。

1.2 發動機點火瞬態模型推導

短時間工作固體發動機的點火過程,發動機系統內部的燃氣遵循質量守恒定律[2-3]。加入燃燒室通道的燃氣質量有兩個來源:一個是點火器產生的點火燃氣質量;另一個是燃燒室裝藥燃燒所產生的燃氣質量。得質量守恒方程為:

(1)

文中試驗均采用藥包式點火器,認為點火藥氣體質量速率是時間的函數,即:

(2)

燃燒室裝藥的氣體質量生成率為:

(3)

式中:ρp為推進劑的密度;fb(t)為已點燃推進劑的面積;r為推進劑的平均燃速。

噴管出口燃氣流出的質量速率可以用式(4)表示[4-7]:

(4)

式中:P0為堵蓋打開壓強;Pc為工作壓強;At為噴管喉部面積;C*為特征速度。

(5)

式中:ρc為燃燒室內氣體密度;Vc為燃燒室的自由容積。

在小型固體發動機的點火過程中,可以認為初始容積Vc不變,燃燒產生的氣體符合理想氣體狀態方程P=ρRT[8],則有:

(6)

將式(2)～式(6)代入式(1),再從0到t對時間積分,得到發動機點火瞬態模型:

(7)

1.3 縮短發動機點火時間的方法分析

然而,過度減少自由容積將導致燃燒室通氣參量設計不合理,堵蓋打開壓強過高會導致點火瞬間發動機工作壓強飆升,刻意減少噴管喉徑將導致發動機工作壓強增大,增大點火藥量會導致點火瞬間發動機初始壓強過高。因此,降低點火時間最可取的方法就是從燃燒室裝藥著手,優化燃燒室裝藥結構設計,從而有效縮短發動機的點火時間。

燃燒室裝藥結構與點火器燃氣和推進劑表面的換熱情況密切相關,直接影響點火器點火階段和推進劑燃燒階段。因此,從燃燒室裝藥結構設計著手縮短點火時間,就是對燃燒室裝藥結構進行優化設計,通過提高點火器燃氣與推進劑之間的換熱效果,縮短點火器點火階段和推進劑燃燒階段的時間,從而有效縮短發動機的點火時間。

2 試驗設計及試驗結果分析

2.1 不同裝藥結構試驗設計

設計了兩種不同裝藥結構的發動機,用來研究通過燃燒室裝藥結構優化設計縮短固體發動機點火時間的可行性。燃燒室裝藥結構分別為翼柱形和套管形,發動機編號分別為1#、2#、3#、4#,共4臺發動機,每種藥形結構各2臺發動機。

翼柱形裝藥為“后翼+內孔”,套管形裝藥為“內外管形”,見圖3。與“后翼+內孔”裝藥結構相比,文中“內外管形”裝藥結構在點火過程中推進劑與點火器燃氣之間的換熱效果更好,若上述理論分析正確,則“內外管形”裝藥結構發動機的點火時間更短。

為了排除其它因素對點火時間的影響,兩種發動機燃燒室裝藥均選擇丁羥三組元推進劑;燃燒室自由容積Vc基本相同;點火器均采用藥包式點火器,點火器的點火藥量相同,點火器均安裝在發動機頭部,試驗過程中均采用單路點火。

2.2 試驗結果及分析

針對上述4臺不同裝藥結構的發動機進行了點火試驗,試驗過程中使用數據采集系統采集工作壓強和推力隨時間的變化,試驗結果見表1。可以看出,1#和2#發動機點火時間分別為19.2 ms和23.2 ms,平均點火時間21.2 ms;3#和4#發動機點火時間分別為13 ms和13.5 ms,平均點火時間13.25 ms,與“內外管形”裝藥結構發動機的點火時間相比,“后翼+內孔”裝藥結構發動機的平均點火時間縮短7.95 ms,縮短了37.5%。

試驗結果還表明,兩種發動機點火延遲階段的時間基本相同(約1 ms),點火器發火階段的時間基本相同(約0.5 ms),但是兩種發動機點火器點火階段和推進劑燃燒階段的時間差別較大,這也是導致兩種裝藥結構發動機點火時間相差較大的原因。同時可以看出,對發動機點火時間起主導作用的是點火器點火階段和推進劑燃燒階段。

因此,燃燒室裝藥結構是影響短時間工作固體發動機點火時間的主因之一,通過合理設計燃燒室裝藥結構,改善點火器燃氣與推進劑之間的換熱效果,縮短點火器點火階段和推進劑燃燒階段的時間,可以有效縮短短時間工作固體發動機的點火時間。

表1 不同裝藥結構燃燒室的點火時間

3 結論

通過文中的理論分析和試驗驗證,可以得出以下結論:

1)短時間工作發動機的點火過程可以分為4個階段:點火延遲階段,點火器發火階段,點火器點火階段,推進劑燃燒階段。

2)建立了短時間工作固體發動機點火過程的瞬態模型,確定了影響發動機點火時間的關鍵因素。

3)燃燒室裝藥結構是影響固體發動機點火時間的主因之一,通過合理設計燃燒室裝藥結構,縮短點火器點火階段和推進劑燃燒階段的時間,可以有效縮短短時間工作固體發動機的點火時間。

[1] 郭鳳美, 余夢倫. 導彈分離設計技術研究 [J]. 導彈與航天運載技術, 2014, 330(1): 5-10.

[2] 林建忠, 阮曉東, 陳邦國, 等. 流體力學 [M]. 2版. 北京: 清華大學出版社, 2013: 37-40.

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[5] 李宜敏, 張中欽, 張遠君. 固體火箭發動機原理 [M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1991: 35-40.

[6] 唐金蘭, 劉佩進. 固體火箭發動機原理 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2013: 35-37.

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[8] 王新月. 氣體動力學基礎 [M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2006: 45-46.

MethodforShorteningtheIgnitionTimeofShortTimeWorkingEngine

WANG Liwu, ZHAO Kun, FENG Xiaobai, LIU Pei, LIN Zhiyuan

(The 41st Institute of the Fourth Academy, CASC, Xi’an 710025, China)

In order to obtain the method for shortening the ignition time of short time working engine, a transient model for the ignition of a short time working engine was established, and the critical factors affecting engine ignition time were confirmed. The effect of combustion loading structure on igniting time was analysized by combining theoretical analysis with experimental verification. The results showed that through reasonable design of combustion chamber loading structure, the time of propellant combustion was shortened, which could effectively shorten the ignition time of short time working engine.

loading structure; short time working; solid rocket motor; ignition time

V435

A

2016-09-05

王立武(1989-),男,遼寧葫蘆島人,碩士,研究方向:固體火箭發動機設計與研究。