過載下丁羥推進(jìn)劑壓強(qiáng)耦合響應(yīng)試驗研究

夏長青，南寶江，王增輝，黨文博

(中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場國防科技重點實驗室，西安 710025)

0 引言

T型燃燒器通常用于進(jìn)行固體復(fù)合推進(jìn)劑壓強(qiáng)耦合響應(yīng)試驗研究，其是一根兩端封閉、中間開口的圓管，其與推進(jìn)劑組成自激聲振蕩系統(tǒng)。推進(jìn)劑處于壓力波腹位置，能夠最大限度地提供聲能增益；中心排氣孔處于基波和奇次諧波的壓力波節(jié)上，聲能損失減小，所以T型燃燒器很容易發(fā)生不穩(wěn)定燃燒。然而，當(dāng)固體復(fù)合推進(jìn)劑含有大量鋁粉時，高溫燃?xì)庵蠥l2O3微粒對聲振蕩有相當(dāng)大的阻尼作用，此時需采用“變?nèi)济妗被颉懊}沖”T型燃燒器才可產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒。

文獻(xiàn)[1-4]詳細(xì)介紹了T型燃燒器壓強(qiáng)耦合響應(yīng)試驗研究的理論。Jerry C Frinlinson等[5-7]對T型燃燒器測試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用磁流體動力技術(shù)測試振蕩條件下T型燃燒室流場，開展了固體復(fù)合推進(jìn)劑燃料組分AP、HMX、RDX的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)特性研究。劉佩進(jìn)等[8]基于靜止T型燃燒器雙脈沖外部激勵的方法，對兩種含鋁HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑開展了試驗研究，分析比較其壓強(qiáng)耦合響應(yīng)特性的差異，獲得了兩種推進(jìn)劑在T型燃燒器中的衰減常數(shù)和燃面增益常數(shù)。

本文T型燃燒器采用杯狀增燃面藥柱及兩次脈沖激勵方法，通過旋轉(zhuǎn)過載試驗臺模擬藥柱所受軸向過載，建立了地面模擬軸向過載下推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合試驗方法，開展過載條件下固體推進(jìn)劑的燃燒增益對固體發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性試驗研究。

1 試驗系統(tǒng)及原理

T型燃燒器旋轉(zhuǎn)過載試驗系統(tǒng)(圖1)由旋轉(zhuǎn)過載試驗臺、T型燃燒器、脈沖觸發(fā)器、點火時序控制裝置和高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。T形燃燒器安裝在旋轉(zhuǎn)過載試驗臺上，噴管中心與旋轉(zhuǎn)過載試驗臺旋轉(zhuǎn)中心同心。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成在旋轉(zhuǎn)過載臺上。

圖1 T型燃燒器旋轉(zhuǎn)過載試驗系統(tǒng)

地面模擬軸向過載下推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合試驗方法通過旋轉(zhuǎn)過載臺旋轉(zhuǎn)模擬過載條件，T型燃燒器在規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度下工作，此時藥柱軸向加速度為ω2R，其中，ω為旋轉(zhuǎn)過載臺旋轉(zhuǎn)角速度；R為藥柱端面距噴管中心線距離。

在T型燃燒器燃燒時間內(nèi)，燃面增益和各種阻尼都存在，點燃脈沖觸發(fā)器1點火藥可獲得壓強(qiáng)增長常數(shù)；在藥柱肉厚燃燒完時刻，只有阻尼而無燃面增益，點燃脈沖觸發(fā)器2點火藥可以獲得壓強(qiáng)衰減常數(shù)。壓強(qiáng)增長常數(shù)減去壓強(qiáng)衰減常數(shù)就可獲取燃面增益常數(shù)，進(jìn)而可獲取固體推進(jìn)劑在過載下的壓強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)。

固體推進(jìn)劑的壓強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)：

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 試驗方案

試驗T型燃燒器長2300 mm，內(nèi)徑90 mm。藥柱是杯狀藥柱，燃面為增面燃面，藥柱肉厚15 mm。脈沖器內(nèi)最高壓強(qiáng)約40 MPa。藥柱點火黑火藥藥量160 g，脈沖觸發(fā)器黑火藥藥量10 g。

開展了丁羥推進(jìn)劑在0g、5g、15g軸向載荷下的T型燃燒器試驗。軸向載荷5g時，旋轉(zhuǎn)過載試驗臺轉(zhuǎn)速為62.4 rpm；軸向載荷15g時，旋轉(zhuǎn)過載試驗臺轉(zhuǎn)速為108 rpm。3次試驗環(huán)境溫度為12 ℃，喉徑6.80 mm，脈沖觸發(fā)器1激勵時刻為0.8 s，脈沖觸發(fā)器2激勵時刻為1.8 s，具體見表1。

表1 T型燃燒器試驗狀態(tài)

試驗過程中，首先啟動高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動旋轉(zhuǎn)過載試驗臺，使藥柱所受載荷達(dá)到規(guī)定值并且旋轉(zhuǎn)過載試車臺轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，通過遠(yuǎn)距離點火時序控制裝置控制點火藥包同時點燃T型燃燒器兩端的藥柱，然后依照時序點燃兩個脈沖觸發(fā)器里的黑火藥包。

2.2 結(jié)果分析

圖2為3次T型燃燒室試驗壓強(qiáng)曲線，3次試驗脈沖觸發(fā)器1均在0.8 s激發(fā)，脈沖觸發(fā)器2均在1.8 s激發(fā)，且工作正常，脈沖觸發(fā)器1和脈沖觸發(fā)器2壓強(qiáng)振蕩曲線衰減時間大約0.1～0.2 s。試驗后，0g、5g、15g過載試驗燃燒室平均壓強(qiáng)分別為11.61、10.88、10.09 MPa，壓強(qiáng)沖量分別為30.1、28.8、25.6 MPa·s，藥柱所受軸向載荷增大，燃燒室壓強(qiáng)降低。3次試驗后平均喉徑分別為6.83、6.83、6.82 mm，喉徑變化不是引起燃燒室壓強(qiáng)變化的主要原因。

圖2 T型燃燒室壓強(qiáng)曲線

圖3為不同過載下包覆藥柱殘渣。表2為不同過載下包覆藥柱殘渣質(zhì)量。

狀態(tài)凈藥量/g殘渣質(zhì)量/g殘渣含量率/%0g3353.515g33521.86.515g33536.510.9

靜止?fàn)顟B(tài)下包覆套筒結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)現(xiàn)燃燒殘渣燒結(jié)聚集于包覆套筒壁面，殘渣質(zhì)量約3.5 g；5g軸向過載下，包覆套筒側(cè)壁面完全燒蝕，底面局部凝相殘渣聚集，殘渣質(zhì)量約21.8 g；15g軸向過載下，包覆套筒側(cè)壁面完全燒蝕，底面大面積凝相殘渣聚集，殘渣質(zhì)量約36.5 g。分析認(rèn)為：藥柱所受軸向過載增大時，凝相粒子在離心力作用下，在T型燃燒室兩端聚集，使得鋁粉未充分燃燒，導(dǎo)致推進(jìn)劑能量未完全釋放。表3為T型燃燒器試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

表3 T型燃燒器試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖4為T型燃燒器0g、5g、15g軸向過載壓強(qiáng)振蕩曲線。圖5為T型燃燒器0g、5g、15g軸向過載壓強(qiáng)振蕩FFT分析，壓強(qiáng)振蕩主要是以一階軸向振蕩模態(tài)為主,其一階頻率分別為189.8、192.3、190 Hz。試驗過載垂直并指向于藥柱表面，隨著軸向過載的增加，燃?xì)庵心嗔Ｗ涌偭繙p小，燃面增益常數(shù)減小，從而造成系統(tǒng)阻尼效果減弱。

(a)0g (b)5g (c)15g

(a)0g (b)5g (c)15g

3 結(jié)論

(1)軸向過載值越大，T型燃燒器平均工作壓強(qiáng)越低，包覆套筒里凝相殘渣質(zhì)量越多，分析認(rèn)為過載下鋁粉在藥面過度聚集使得鋁粉未充分燃燒，導(dǎo)致丁羥推進(jìn)劑能量沒有充分釋放.

(2)隨著軸向加速度的增加，T型燃燒器燃面增益常數(shù)和凝相粒子濃度減小，從而使阻尼效果明顯減弱。