一種自由裝填發(fā)動機(jī)熱匹配失效模式試驗方法研究

曹熙煒,徐 韡，邵 超，王鵬飛，孫勇強

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

自由裝填式固體發(fā)動機(jī)是一種較為常見的固體發(fā)動機(jī)構(gòu)型，國內(nèi)外專家學(xué)者對此種構(gòu)型發(fā)動機(jī)的流固耦合、點火應(yīng)力、藥柱完整性等進(jìn)行了大量研究。目前很少有文獻(xiàn)對自由裝填式發(fā)動機(jī)工作過程中熱匹配性進(jìn)行描述和分析，對于熱匹配失效模式的機(jī)理研究也較少。姜利等提出了一種熱匹配失效模式，并對該模式的衍生機(jī)理和影響規(guī)律進(jìn)行了仿真分析。本文主要從地面試驗驗證方法研究入手，通過試驗方法的改進(jìn)證實了熱匹配失效模式的合理性和正確性。

1 失效機(jī)理描述

自由裝填式發(fā)動機(jī)一般由殼體、襯墊、藥柱、噴管及點火器等組成。這種發(fā)動機(jī)采用不同的裝藥藥型，形成了單室單推力、雙室雙推力、單室雙推力等多種類型，其中藥柱由包覆套和推進(jìn)劑組成，藥柱和殼體之間留有一定的間隙。自由裝填式發(fā)動機(jī)幾何結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 自由裝填式發(fā)動機(jī)幾何結(jié)構(gòu)圖示意圖Fig.1 Geometric structure of free-standing engine

針對自由裝填式發(fā)動機(jī)熱匹配設(shè)計，姜利等提出了一種可能的失效模型：當(dāng)發(fā)動機(jī)點火工作一段時間后，包覆套脫離藥柱的部分受高溫燃?xì)饧訜岫l(fā)生熱膨脹，膨脹后的包覆套在徑向與發(fā)動機(jī)殼體內(nèi)壁接觸，之后沿內(nèi)壁向頭蓋膨脹，導(dǎo)致燃燒室與徑向間隙之間的流通面積減小甚至密封，使得徑向間隙內(nèi)氣體壓強的變化滯后于燃燒室壓強的變化，在燃燒室內(nèi)壓強爬升和脈動過程中，包覆套內(nèi)外形成壓強的差值(下文簡稱壓差)，從而使藥劑和包覆套黏接界面受到額外應(yīng)力作用，當(dāng)包覆套與藥劑黏接界面附近承受的應(yīng)力超過界面黏接強度時，藥劑與包覆套黏接界面將發(fā)生損傷甚至剝離，進(jìn)而引起燃面動態(tài)擴(kuò)展，燃燒室壓強隨之迅速升高直至發(fā)動機(jī)爆炸。壓差形成及界面剝離過程的示意圖如圖2所示。

圖2 界面剝離過程示意圖Fig.2 Process of debonding

而驗證熱匹配故障模式是否合理的關(guān)鍵是測量試驗過程中包覆套內(nèi)外是否有壓差。

2 試驗方法研究

2.1 傳統(tǒng)試驗方法

傳統(tǒng)的試驗方法是采用殼體加厚的燃?xì)獍l(fā)生器作為試驗產(chǎn)品(如圖3所示)，在燃?xì)獍l(fā)生器的殼體上加工幾個壓力測點，,,，如圖4所示。其中，表征燃燒室內(nèi)壓強；,,表征包覆套與殼體間隙內(nèi)壓強；用與,,的差值表征燃燒室壓強與間隙壓強的差值。

圖3 燃?xì)獍l(fā)生器殼體示意圖Fig.3 Schematic of gas generator shell

圖4 傳統(tǒng)試驗方法壓力測點Fig.4 Pressure measuring point of traditional test method

由于測得的與,,的差值較小(約0.3 MPa)，與壓力傳感器測量誤差相當(dāng)，詳見2.3節(jié)分析。在前期的試驗結(jié)果分析中很容易被當(dāng)作測量誤差來處理，因而長期以來都認(rèn)為發(fā)動機(jī)工作過程中包覆套內(nèi)外不存在壓差。

2.2 改進(jìn)后試驗方法

從熱匹配失效模式機(jī)理研究結(jié)果可知，在藥柱現(xiàn)有力學(xué)性能指標(biāo)下，燃燒室壓強與間隙壓強的差值達(dá)到一定值時包覆套與藥柱就會出現(xiàn)剝離。如果藥柱力學(xué)性能偏下限或者低于下限，那么該故障模式出現(xiàn)所需的壓差就會更低。因此為了正確測出壓差，需要改進(jìn)測量方法，盡量減小測量精度產(chǎn)生的影響。

從傳統(tǒng)的試驗方法中可知，燃燒室壓強與間隙壓強之間的差值不會太大，與壓力傳感器誤差相當(dāng)。因此需要采用一種小量程的傳感器直接測量二者之間的差值，避免兩個大數(shù)相減產(chǎn)生的誤差。具體改進(jìn)如下：

在傳統(tǒng)測量方法的基礎(chǔ)上，從,,,引出一段測量管路，分別在與,與,與管路間增加壓差傳感器，直接測量壓差，如圖5所示。壓差傳感器的工作原理是被測壓差直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與壓差成正比的位移，傳感器的電容值同時發(fā)生變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個相對應(yīng)壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號，從而減小了兩個大量程的壓力傳感器測量數(shù)據(jù)相減產(chǎn)生的誤差。

圖5 改進(jìn)后試驗方法壓力測點Fig.5 Pressure measuring point of improved test method

2.3 測量精度對比分析

(1)傳感器參數(shù)

壓力傳感器和壓差傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Sensor parameters

(2)傳感器誤差

實際測試時，由于壓力傳感器直接與殼體螺紋連接，殼體溫度會出現(xiàn)一定升高，對壓力傳感器的零位溫度漂移產(chǎn)生一定影響，根據(jù)以往試驗子樣，溫度上升約30℃，以此計算傳感器零位溫度漂移，壓力傳感器誤差為精度+零位溫度漂移，具體如下：

絕對誤差：20 MPa×0.3%+0.02%/℃×20 MPa×30 ℃=0.18 MPa；

相對誤差：0.18 MPa/20 MPa=0.9%。

而壓差傳感器由導(dǎo)管引到一定距離后安裝，試驗過程溫度對壓差傳感器的影響很小，壓差傳感器誤差為精度誤差，具體如下：

絕對誤差：2 MPa×0.5%=0.01 MPa。

(3)系統(tǒng)綜合誤差

根據(jù)誤差傳遞原理，壓力傳感器和壓差傳感器與測試系統(tǒng)(誤差為0.5%)的綜合誤差情況如下：

壓力傳感器相對誤差：(1+0.9%)×(1+0.5%)-1=1.4%；

壓力傳感器絕對誤差：20 MPa×1.4%=0.28 MPa；

壓差傳感器相對誤差：(1+0.5%)×(1+0.5%)-1=1%；

壓差傳感器絕對誤差：2 MPa×1%=0.02 MPa。

假設(shè)發(fā)動機(jī)實際工作過程中，用傳統(tǒng)的試驗方法和改進(jìn)后的試驗方法測出的壓差均為0.3 MPa，考慮到壓力傳感器和壓差傳感器的測量誤差，前者和后者表征的壓差分別為0.02～0.58 MPa和0.28～0.32 MPa。

綜上，從測量精度上分析，用改進(jìn)后的試驗方法更能證實壓差的存在。

3 試驗驗證情況

針對圖1所示的包覆套表面光滑的自由裝填式藥柱，利用圖3所示的燃?xì)獍l(fā)生器殼體，采用改進(jìn)后的試驗測量方法開展地面試驗研究，試驗過程中壓差測量曲線如圖6所示，從圖中可以看出，發(fā)動機(jī)點火初始階段，壓差曲線基本在零位，表明燃燒室與徑向間隙之間等效面積足夠，不會產(chǎn)生壓差；隨著發(fā)動機(jī)工作，包覆套與殼體內(nèi)壁接觸情況加劇，燃燒室與徑向間隙之間等效面積減小甚至密封，燃燒室和徑向間隙之間出現(xiàn)了明顯壓差，最大壓差約0.17 MPa，在此時間段內(nèi)壓差變化與燃燒室壓強變化規(guī)律基本相同。熱試車結(jié)果直接證明了壓差的客觀存在，有力支撐了壓差形成機(jī)理的仿真結(jié)果。

圖6 試驗過程中壓差測量曲線Fig.6 Differential pressure measurement curve during test

4 結(jié)論

本文針對一種自由裝填式固體發(fā)動機(jī)熱匹配失效模式進(jìn)行了試驗驗證方法的改進(jìn)研究，通過增加壓差傳感器，有效減小了傳統(tǒng)試驗方法測量精度產(chǎn)生的影響，證明了發(fā)動機(jī)工作過程中燃燒室與間隙之間壓差的存在，有力支撐了熱匹配失效模式機(jī)理研究結(jié)果。