固體發動機飛行橫向過載下絕熱層燒蝕探究①

劉中兵，郜偉偉

(1.中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025；2.中國航天科技集團公司四院，西安 710025)

0 引言

為滿足現代防空導彈全空域作戰的需要，或者一些戰術導彈彈道設計的需要，作為其動力裝置的固體發動機在飛行主動段期間往往承受較為復雜的橫向、軸向過載聯合作用的過載條件[1-2]。如某系列發動機，橫向過載存在短時大過載(過載大小30g，持續時間2 s)和長時間中小過載(過載大小0～15g，持續時間8 s以上)兩種典型工況，對固體發動機正常工作過程產生一定的影響[3]。尤其是飛行橫向過載對發動機內絕熱結構燒蝕的影響，近年來橫向過載導致發動機飛行失利的故障時有發生。因此，對于飛行過程中的橫向過載，在固體發動機工程研制中應給予足夠重視。

國外Sabnis J S[4]在20世紀90年代就認識到過載會導致發動機內顆粒運動軌跡的改變，并建立了相應的計算方法獲得了橫向過載條件下的顆粒運動軌跡。國內何國強等[5]采用顆粒軌道模型，開展了不同過載組合條件下發動機兩相流場數值模擬，揭示了過載條件下的顆粒運動規律，計算結果和發動機試車結果具有較好的一致性。在此基礎上，李江等[6-8]發展了利用收縮管聚集產生高濃度粒子流的實驗方法，開展了顆粒沖刷速度和濃度對絕熱層燒蝕影響的實驗研究，并得到了實驗條件下兩相沖刷參數和燒蝕率之間的回歸關系式。劉洋等[9-10]系統地開展了多種過載工況條件下三元乙丙絕熱材料的燒蝕實驗研究，研究了纖維、SiO2含量對絕熱層燒蝕特性的影響。諸毓武[11]針對某導彈主動段存在全程橫向過載的條件，采用工程計算方法對發動機絕熱層的安全裕度進行了分析，對典型過載工況下發動機三維兩相內流場進行了數值分析，發現絕熱層迎風臺階可導致局部燒蝕加強的現象，應減小臺階落差。劉洋等[12]為配合某大長徑比發動機在長時間小過載條件下的燒穿故障分析，對其進行了長時間小過載下的三維兩相內流場分析，研究發動機內流道內不同區域的顆粒聚集特征，并結合殘骸形貌進行了失效模式分析。綜上，針對過載對絕熱層燒蝕的影響，國內外主要集中在流場數值模擬、地面過載模擬試驗、絕熱層燒蝕模型等三方面。受試驗條件和研究手段的限制，發動機實際飛行過載條件下的殘骸形貌和燒蝕規律，很少見報道。

本文在對某系列發動機參加歷次典型橫向短時大過載和長時間中小過載工況飛行試驗后絕熱層解剖數據進行分析的基礎上，總結發動機在各種飛行過載工況下的絕熱層燒蝕規律，以期為具有類似過載工況發動機的絕熱設計提供參考。

1 橫向短時大過載條件下絕熱層燒蝕數據

1.1 A1發動機大過載飛行后絕熱層燒蝕數據

A發動機采用后翼柱形藥型，丁羥三組元推進劑。其中，A1發動機進行了低空正負交變大過載下的飛行試驗，過載曲線見圖1。12 s前，橫向過載很小；12 s后，開始施加負向過載，16 s時，橫向過載Ny=-5g；此后開始施加正向過載，16.6 s達到最大值，Ny=28g；17.6 s，Ny=24g。

獲得了A1發動機飛行后殘骸，經對絕熱層解剖測量，發現在殼體Ⅰ、Ⅲ象限線分別存在一條燒蝕槽，Ⅰ象限線燒蝕槽距燃燒室后端面500～650 mm，Ⅲ象限線燒蝕槽中心距燃燒室后端面680 mm。燒蝕槽寬約30 mm，以Ⅰ、Ⅲ象限線為中心，此范圍內絕熱層燒蝕嚴重。Ⅱ、Ⅳ象限線方向上絕熱層燒蝕輕微。從絕熱層暴露時間判斷，Ⅰ、Ⅲ象限線上燒蝕槽分別由負向過載和正向過載引起，即燒蝕槽對應橫向過載的反方向。Ⅰ、Ⅲ象限線上絕熱層測厚結果見圖2所示，燒蝕槽區域與橫向過載、絕熱層暴露時刻的關系見圖3所示。

從A1發動機Ⅰ、Ⅲ象限線絕熱層解剖數據看，無論是長時間小過載還是短時大過載，絕熱層最大燒蝕位置均出現在過載開始施加時絕熱層開始暴露的位置，即藥柱燃燒表面附近。長時間小過載燒蝕影響區較長，短時大過載燒蝕影響區較短。

1.2 A2發動機大過載飛行后絕熱層燒蝕數據

A2發動機進行了低空大過載的飛行試驗，過載曲線見圖4所示。飛行試驗后發動機殘骸表明，在過載承載一側存在一條明顯的燒蝕槽，最大燒蝕點距燃燒室后端面680 mm左右，絕熱層燒蝕量3.7 mm。

1.3 B發動機大過載飛行后絕熱層燒蝕數據

B發動機同樣采用后翼柱形藥型，采用丁羥四組元推進劑。其中，B1發動機進行了低空大過載飛行，過載曲線見圖5。由試驗后發動機殘骸可見，在Ⅰ象限線附近絕熱層存在一條明顯的燒蝕槽，最大燒蝕點距燃燒室后端面680 mm左右，絕熱層燒蝕量4.5 mm。

短時大過載下A和B發動機最大燒蝕點位置與橫向過載、絕熱層暴露時刻的關系見圖6。

從A和B發動機短時大過載工況絕熱層解剖數據看，在短時大過載工況下，橫向過載方波均出現在16～18 s之間，大小也較固定，因而絕熱層過載燒蝕區較集中，燒蝕槽較短，最大燒蝕點均在橫向過載開始施加時絕熱層開始暴露的位置附近。

2 橫向長時間中小過載條件下絕熱層燒蝕數據

2.1 A3發動機飛行后絕熱層燒蝕數據

A3發動機進行了長時間小過載的飛行試驗，過載曲線見圖7。在11 s之前橫向過載很小，此后橫向負過載逐漸加大，16.66 s時，橫向過載Ny=-8g。

獲得了A3發動機飛行后殘骸，燒蝕槽位于殼體Ⅰ象限線，即負向過載的反方向，中心距燃燒室后端面456 mm。絕熱層在Ⅰ象限線兩側30 mm范圍內燒蝕嚴重。殘骸其他部位絕熱層燒蝕正常，絕熱層無明顯碳化現象。A3發動機殘骸絕熱層解剖結果見圖8所示，燒蝕槽區域與橫向過載、絕熱層暴露時刻的關系見圖9所示。

從A3發動機絕熱層燒蝕數據看，在長時間小過載作用下，燒蝕槽出現在距燃燒室后端面300～600 mm范圍內，燒蝕槽內各處絕熱層燒蝕量與過載作用下暴露時間基本成線性關系。

2.2 A4發動機絕熱層燒蝕數據

A4發動機進行了長時間中過載的飛行試驗，獲得了完整的后筒段絕熱層殘骸，包含了過載作用下燒蝕影響區從開始至結束的所有區域。A4發動機殘骸絕熱層解剖結果見圖10、圖11所示。

絕熱層測厚數據表明：過載影響區域距后端面距離為300～650 mm，從前向后燒蝕量逐漸增大，在人工脫粘層根部(即人脫分離處)附近燒蝕量達到最大；燒蝕槽寬度為40～50 mm；除燒蝕槽外的其他部位絕熱層燒蝕量較小。

與A3發動機絕熱層燒蝕規律類似，在長時間中過載作用下，燒蝕槽出現在距燃燒室后端面300～650 mm范圍內，燒蝕槽內各處絕熱層燒蝕量與過載作用下暴露時間基本成線性關系。因過載和作用時間的增加，各處絕熱層燒蝕量相對小過載工況顯著增加。

2.3 B2、B3發動機絕熱層燒蝕數據

B2、B3發動機進行了相同過載條件下的飛行試驗，過載曲線見圖12所示。獲得了發動機飛行后的殘骸，絕熱層測量數據見圖13所示，B2發動機燒蝕槽位置與橫向過載、絕熱層暴露時刻的關系見圖14所示。

在長時間中小過載作用下，B2、B3發動機燒蝕槽出現在距燃燒室后端面300～650 mm范圍內，燒蝕槽內各處絕熱層燒蝕量與過載作用下暴露時間基本成線性關系。人脫根部和后接頭拐彎處由于絕熱層臺階的阻擋作用，絕熱層燒蝕加劇，應是粒子流在該處聚集的結果。

3 分析與討論

3.1 各工況下發動機筒段絕熱層燒蝕率

將以上積累的各次典型橫向過載飛行試驗后發動機絕熱層燒蝕率數據進行匯總，見表1和圖15。可看出，在飛行橫向過載下，絕熱層燒蝕率與橫向過載之間存在較強的線性關系。表1中，過載作用時間段指尾部絕熱層開始暴露后過載作用時間。

表1 各工況下發動機絕熱層燒蝕率

3.2 筒段絕熱層最大燒蝕點位置

各發動機飛行試驗后最大燒蝕點位置與橫向過載、各部位絕熱層開始暴露時刻的關系見圖16所示。由圖16看出，最大燒蝕點位置與橫向過載下絕熱層開始暴露位置之間存在著極強的一致性。因此，無論是短時大過載還是長時間中小過載，筒段絕熱層最大燒蝕部位與過載條件下絕熱層開始暴露的位置有關，與過載大小關系不大。

3.3 過載作用下絕熱層局部臺階的影響

在長時間中小過載作用下發動機燃燒室承載一側絕熱層存在一較長的燒蝕槽，由A4和B2、B3發動機可看出，在絕熱層出現臺階的人脫根部和后接頭拐彎處，絕熱層燒蝕極不均勻，應是過載作用下粒子流受到凸起臺階的阻擋從而在該區域產生聚集，出現較大的燒蝕坑。對于該處的絕熱層燒蝕，較難以絕熱層燒蝕率模型的形式進行計算，應在結構型面設計上進行優化，避免較大的臺階出現。

4 結論

(1)在飛行橫向過載條件下，發動機絕熱層在橫向過載的反方向一側存在一條明顯的燒蝕槽，該處的燒蝕率顯著大于周向其他位置的燒蝕率。

(2)橫向過載下筒段絕熱層最大燒蝕率與橫向過載之間存在較強的線性關系。

(3)發動機飛行橫向過載條件下筒段絕熱層最大燒蝕點位置出現在施加橫向過載時絕熱層開始暴露的位置附近。

(4)在橫向長時間中小過載作用下，因凝相粒子流的聚集在凸起較大的人脫根部和后接頭拐彎處出現較大的燒蝕坑，燒蝕極不均勻，易發生燒穿故障。應在結構型面設計上進行優化，避免較大的臺階出現。