固體火箭發動機冷增壓試驗與數值仿真*

王創歌,李 昊,李 輝,賀賦銘,許進升

(1 南京理工大學機械工程學院,南京 210094;2 西安現代控制技術研究所,西安 710065)

0 引言

固體火箭發動機點火過程是一個機理復雜的非定常瞬態響應過程,在數百毫秒內,燃燒室就會產生高溫、高壓、高速流動的火藥燃氣,有時還伴有超壓、滯火、爆轟、燃燒振蕩、斷續燃燒和熄火等許多不規則現象[1]。這些不確定因素極易破壞自由裝填藥柱的結構完整性,使藥柱因受力不均而產生形變或裂紋,影響發動機內流場分布及藥柱的穩定燃燒,導致發動機無法正常工作,甚至引起發動機爆燃或者爆炸[2]。因此,固體火箭發動機點火增壓過程中藥柱結構完整性的分析和研究一直是一個重要課題。

在發動機真實點火的惡劣條件下,想要測量藥柱的真實應變異常困難,而且存在很高的危險性和不確定性[3]。在冷增壓技術被提出之前,對固體火箭發動機點火增壓過程的研究一直是一個難題,國內外的研究人員多數只能采用數值仿真的方法進行研究[4-5]。冷增壓技術被提出之后,國內的研究人員開始利用其進行固體火箭發動機點火過程的研究,也證明了冷氣增壓技術的安全性、可靠性[6]。但當前利用冷增壓試驗研究固體火箭發動機點火過程的人員還很少,而且研究方法很單一,大多只進行冷增壓試驗或者只進行數值仿真,沒有將二者結合起來,相互對比。文中利用一套自主設計的冷增壓試驗系統來模擬固體火箭發動機的點火增壓過程,同時利用Fluent對發動機的內流場進行流場仿真,利用ABAQUS對藥柱應變進行仿真,將實驗結果和仿真結果進行對比,相互驗證。

1 冷增壓試驗

1.1 試驗系統原理

國內外的相關研究表明,在點火瞬間,主要有兩個方面的因素會導致藥柱變形開裂,一是初始壓力峰以及壓力在藥柱內表面的不均勻分布;二是溫度對藥柱的影響,但相對于流動的壓力波及不均勻分布的壓力對藥柱形變的影響,溫度的影響幾乎可以忽略不計。

文中的冷增壓試驗裝置就是不考慮點火過程中溫度對藥柱形變的影響,以高壓氮氣作為氣體介質,通過閉鎖器實現對發動機部分的快速增壓來模擬固體火箭發動機的點火過程。試驗過程中,發動機藥柱所受壓力通過壓力傳感器采集,經超動態應變儀放大后輸入數據采集卡并顯示在計算機軟件中。

1.2 試驗系統組成

試驗系統按功能可分為四部分,分別是氣源單元、快速增壓單元、模擬發動機單元、測試單元。

氣源單元由高壓氮氣罐和暫存式儲氣罐組成,為試驗提供壓力源,連接管上有壓力表,可以分別觀測氮氣罐中壓力值以及儲氣罐中壓力狀態。

快速增壓單元由電動牽引桿和閉鎖器組成。主要作用是實現對模擬發動機的快速增壓。

模擬發動機單元由噴嘴、實驗發動機、壓力采集裝置組成。噴嘴和實驗發動機可根據研究需要進行更換。

測控單元由壓力傳感器、數據采集卡、超動態應變儀組成。壓力傳感器采集的數據經超動態應變儀放大后輸入數據采集卡并顯示在計算機軟件中。

1.3 試驗過程

1)準備工作。連接試驗系統各單元,整體調試,并測試各連接處的密封性。調整閉鎖器缸,使撞針退回到壓縮狀態,并安裝厚度為0.2 mm的金屬膜片。

2)充氣過程。打開高壓氮氣罐閥門向暫存式儲氣罐充氣,通過壓力表觀察內部壓力情況,達到試驗要求值后,關閉高壓氮氣罐閥門。

3)快速增壓。控制電動推拉桿拉動頂螺栓,閉鎖器彈起釋放撞針,刺破膜片,高壓氣體沖入發動機內部。同時,測控單元采集數據。

4)結束泄壓。試驗結束后,泄壓電磁閥打開,排出高壓氣體。

1.4 試驗結果

模擬發動機結構如圖2,為研究藥柱內外兩側的受力情況,采用環向噴嘴對模擬固體火箭發動機進行試驗。

如圖2所示,發動機上有A、B、C、D、E5個測點。試驗過程中,選A、B、C3點作為藥柱在頭部、中部、尾部3個位置的測點,先測量3點外壓,在相同試驗條件下再測量內壓[7]。測量5次,結果取平均值,作為真實壓力場分布結果,藥柱為PE材料加工的模擬藥柱。結果如圖3～圖7。

1.5 試驗結果分析

1)從圖3、圖4可以看出,3個測點的壓力在250 ms達到峰值且壓力值高出穩定值8%～10%,分析可能是模擬發動機冷增壓速度極快,形成激波,發動機內腔流場存在激波的重疊,形成壓力峰,激波快速通過后,壓力下降。

2)模擬發動機尾部被密封,整個試驗系統內部可以看作密閉空間,所以3個測點的壓力達到峰值之后開始下降并在350 ms以后趨于平穩。說明模擬發動機可以模擬真實的發動機從點火建壓到壓力穩定正常工作的過程。

3)從圖5、圖6、圖7可以看出,同一時刻藥柱內外兩側所受壓力存在差異,且建壓速度極快,可達20 MPa/s,說明在模擬火箭發動機建壓過程中,藥柱會受到不均勻的沖擊載荷作用。如前文所述,點火過程中不均勻的壓力分布是藥柱變形開裂的主要原因,證明了本試驗的合理性。

2 固體火箭發動機的流場仿真

2.1 流場仿真

使用Fluent對發動機冷增壓試驗進行流場仿真[8]。考慮到試驗系統的對稱性,仿真采用二維對稱機構,邊界采用絕熱無滑移邊界條件。如圖8所示,計算初始化時,以金屬薄片所在位置為準,將整個計算域分為兩部分,儲氣罐區域為高壓區,設定為5 MPa;發動機區域為低壓區,設定為0.1 MPa。

2.2 仿真結果與試驗結果對比

在用計算機進行流場仿真時,采用的是最理想的情況,即不考慮快速增壓裝置中的機械系統的延遲、撞針刺破膜片的時間、高壓氣流沖開膜片的時間等。故在將仿真結果與試驗結果對比時,為更符合實際情況,綜合考慮各種因素后將仿真時間放大10倍后與試驗結果對比。結果分析如下:

1)對比仿真結果和試驗結果,發現各點壓力曲線的趨勢一致,即都會產生壓力峰,之后振蕩趨于平穩,仿真結果和試驗結果有了相互印證,說明冷增壓試驗可以用來模擬固體火箭發動機的點火過程。

2)試驗和仿真的壓力峰值相對誤差在20%以內,其中的原因可能是試驗中氣流沖破膜片以及通過環形噴嘴時有一定的能量損失,而計算機仿真未將此因素計算在內。

3)將仿真時間放大10倍后,增壓速度相差依然較大,可能有兩方面原因,本試驗系統的快速增壓裝置反應速度太慢,有一定的機械延遲;測試系統存在延遲,不能快速而準確地追蹤壓力的變化。

3 藥柱點火增壓過程中力學特性仿真

應用ABAQUS軟件,對試驗藥柱進行數值仿真[9-10]。從試驗藥柱內腔采集的壓力曲線可以看出,在同一時刻,內腔各點所受壓力基本相同,藥柱外表面也同樣如此。故在仿真中將在冷增壓試驗中測得的0～0.5 s內藥柱中部內、外側壓力數據作為載荷條件,加載于藥柱內外表面;材料密度為970 kg/m3,泊松比為0.42,彈性模量為470 MPa;采用動態分析步計算;藥柱網格全部采用六面體結構網格。

t=0.5 s時,冷氣沖擊試驗中藥柱所受壓力基本保持不變。從藥柱應變云圖可以看出,壓力穩定后藥柱不同方向的應變集中位置不同。從圖15、圖16、圖17看出,徑向應變主要集中在藥柱外側大部分區域;環向應變集中于藥柱內側;對于軸向應變,由于藥柱首尾都設有擋藥板,仿真中設置有邊界條件,軸向應變相對于徑向、環向應變很小,且藥柱中間部分的軸向應變高于首尾兩端。

從圖18、圖19可以看出,各點的應變都在220～250 ms范圍內達到最大,即冷氣增壓試驗中壓力峰到來的時刻,藥柱應變達到最大。說明了固體火箭發動機點火建壓過程產生的壓力峰是影響藥柱裝藥結構完整性的主要因素。在進行藥柱結構設計和裝藥材料類型選擇時,要考慮到點火過程中產生的壓力峰對藥柱結構完整性的影響。

4 結論

綜上所述,文中得到以下結論:

1)冷增壓試驗可以模擬固體火箭發動機點火建壓過程,可利用冷增壓試驗系統進行相關研究。

2)以壓力為5 MPa的高壓氮氣進行冷增壓試驗時,在250 ms模擬發動機會產生高出穩定壓力值8%～10%的壓力峰。從ABAQUS仿真結果看,在壓力峰到來的時刻,藥柱應變達到最大。說明點火過程中由激波重疊形成的的壓力峰是使藥柱結構完整性遭到破壞的的主要原因。

3)用環形噴嘴進行冷增壓試驗發現,在冷增壓試驗中藥柱同一位置的內外側受力不等,造成藥柱各部分應變不一致。藥柱在點火過程中所受的不均勻沖擊載荷是藥柱變形開裂的另一主要原因。