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        一種新型可調(diào)喉徑噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析①

        2012-09-26 03:10:54
        固體火箭技術(shù) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:本體燃?xì)?/a>部件

        劉 斌

        (中國空空導(dǎo)彈研究院推進(jìn)系統(tǒng)研究所,洛陽 471009)

        0 引言

        推力可控技術(shù)是固體火箭發(fā)動機(jī)研究的重要領(lǐng)域。從20世紀(jì)60年代起,國內(nèi)外在可控推力固體火箭發(fā)動機(jī)的研究方面取得了大量成果,從裝藥設(shè)計和噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計方面得出了多種控制方案,如調(diào)節(jié)噴管喉部面積、控制固體推進(jìn)劑質(zhì)量燃速、加質(zhì)發(fā)動機(jī)、膠狀推進(jìn)劑等[1]。

        戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈特別是空空導(dǎo)彈和亞音速反坦克導(dǎo)彈,大多采用單室雙推或脈沖發(fā)動機(jī)形式,要求發(fā)動機(jī)助推階段或第一脈沖階段推力大,才能滿足離軌和達(dá)到最大速度的要求。在巡航階段或第二脈沖階段,為了適應(yīng)低阻力導(dǎo)彈外形,要求具有較小推力,但會使推進(jìn)劑能量得不到發(fā)揮,采用固定喉徑噴管的發(fā)動機(jī),此時顯示了不足[2-3]。為了繼續(xù)保持一定的高推力,需減小喉部面積來增大燃燒室壓強(qiáng),以提高發(fā)動機(jī)的推力[4]。根據(jù)目前單室雙推和雙脈沖發(fā)動機(jī)的裝藥特點(diǎn),喉徑只需在兩個狀態(tài)下可調(diào)(即兩級推力),即從初始最大的喉部面積(初始喉徑),減小到一個固定尺寸的喉部面積(終點(diǎn)喉徑)。

        本文根據(jù)噴管喉徑最簡單的兩級可調(diào)原理,設(shè)計了一種使部件沿喉襯本體徑向運(yùn)動的結(jié)構(gòu),使噴管喉部面積由大變小,使發(fā)動機(jī)具有“等推力”的特性。

        1 結(jié)構(gòu)方案

        本文僅對可調(diào)喉徑噴管的主要運(yùn)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模與分析。喉襯本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        喉襯本體沿周向均勻開有6個方形孔,其中3個帶有臺階。初始喉徑和終點(diǎn)喉徑可根據(jù)發(fā)動機(jī)性能計算得到,此處分別按φ27 mm和φ12 mm來設(shè)計。喉襯本體的內(nèi)孔直徑,即為初始直徑。矩形通道1和矩形通道2沿周向各均布3個,兩者交替排列,其中通道1是帶臺階的方形通孔。圖2表示在安裝其他運(yùn)動部件之后的初始喉徑位置。

        4種共計12個運(yùn)動部件按一定裝配順序安裝在矩形通道1和2中。其中,部件1~3為分離體1組;部件4~6為分離體2組;部件7~9為保持體1組;部件10~12為保持體2組。分離體1組各部件內(nèi)側(cè)圓弧半徑與發(fā)動機(jī)初始喉徑大小相同(R=13.5 mm),保持體2組各部件內(nèi)側(cè)圓弧半徑與發(fā)動機(jī)終點(diǎn)喉徑大小相同(R=6 mm)??拷韽教幍母鞑考?nèi)側(cè)面,構(gòu)成噴管喉部內(nèi)孔的燃?xì)馔ǖ?。在保持體外部,都有使保持體進(jìn)行沿徑向移動的驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)(圖中未畫出)。

        2 結(jié)構(gòu)工作原理

        以雙脈沖固體火箭發(fā)動機(jī)為例,說明本體結(jié)構(gòu)的工作原理。分離體組和保持體組各部件按圖2位置裝配到位。發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作,當(dāng)?shù)谝幻}沖工作離結(jié)束剩余1 s左右時(假定此時導(dǎo)彈已遠(yuǎn)離載機(jī)),驅(qū)動機(jī)構(gòu)推動保持體1組的任何一個部件(如圖3所示,箭頭表示移動方向),開始沿軸向移動,直至其死點(diǎn)位置(即通道臺階處)。

        此時,在高速燃?xì)庾饔孟?,通過硅橡膠粘接在保持體上的分離體1組的部件3,被瞬間吹離出噴管內(nèi)。

        在小于0.2 s的時間間隔內(nèi),驅(qū)動機(jī)構(gòu)再按上述方法,推動保持體1組的其他部件,使分離體1組中的部件沿徑向移動,直至被燃?xì)獯惦x噴管。當(dāng)保持體1組的3個部件均到達(dá)死點(diǎn)位置時,其狀態(tài)如圖4所示。

        驅(qū)動機(jī)構(gòu)開始推動保持體1組部件的時間,應(yīng)保證在導(dǎo)彈發(fā)射后遠(yuǎn)離載機(jī)的安全距離之外,以避免拋出物傷及載機(jī)。

        完成上述動作后,驅(qū)動機(jī)構(gòu)再同時推動保持體2組中的3個部件10、11和12沿徑向移動,如圖5所示(箭頭表示移動方向)。

        此時,分離體2組中的3個部件(部件4~6)已完全暴露在燃?xì)庵?,在高速燃?xì)庾饔孟拢谎杆俅惦x噴管。保持體2組部件繼續(xù)沿徑向移動一段距離后(控制系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸而設(shè)定),3個內(nèi)側(cè)圓弧構(gòu)成一個整圓,半徑即為終點(diǎn)喉徑大小,如圖6所示。這樣在第一脈沖結(jié)束時,整個結(jié)構(gòu)已到達(dá)終點(diǎn)喉徑的位置。第二脈沖點(diǎn)火后,發(fā)動機(jī)便在新的喉徑下工作。

        3 結(jié)構(gòu)的選材

        近幾年發(fā)展起來并大量用于火箭發(fā)動機(jī)的C/C復(fù)合材料,在高溫下具有很好的抗燒蝕能力和較高的強(qiáng)度[3];用于噴管的鎢滲銅喉襯結(jié)構(gòu)能經(jīng)受長達(dá)60 s工作時間的考核,且試驗(yàn)結(jié)果喉襯完好[5]。因此,可考慮應(yīng)用在本體結(jié)構(gòu)上。

        3.1 運(yùn)動部件

        分離體1組和2組部件在燃?xì)庾饔孟聲侂x噴管。因此,材料可選用密度較小而耐燒蝕的石墨或C/C材料。

        保持體1組和2組部件既要承受發(fā)動機(jī)工作時的壓力,在最終喉徑形成后,還要承受發(fā)動機(jī)高溫高速燃?xì)獾臎_刷和燒蝕。因此,要求具有一定的高溫強(qiáng)度和抗燒蝕性能。鎢滲銅材料是由高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的鎢骨架熔滲金屬銅所得到的互不相溶性粉末冶金材料,它綜合了鎢與銅二者的優(yōu)點(diǎn),具備良好的抗高溫、耐燒蝕及高強(qiáng)度、高硬度等性能。隨鎢骨架密度的提高,材料的高溫強(qiáng)度相應(yīng)提高[6]。因此,可選用鎢滲銅作為保持體1組和2組運(yùn)動部件的材料。

        發(fā)動機(jī)在運(yùn)輸和掛飛過程中要承受一定的振動及沖擊載荷。通過硅橡膠粘接的分離體和保持體,有可能在振動/沖擊載荷作用下發(fā)生松動,出現(xiàn)分離體在非工況下脫離保持體的情況,使喉徑截面位置發(fā)生變形?;诖?,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)部件裝配前,在喉徑初始位置處(圖2),可用硬質(zhì)泡沫材料制成的六角凸塊,安裝在初始喉徑通道上,如圖7所示。

        在其外圓弧面涂以硅橡膠,再將分離體粘接在上面。這樣分離體就可在振動沖擊環(huán)境下,保持原位置不動。當(dāng)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后,六角凸塊會被高速燃?xì)獯惦x噴管。

        3.2 喉襯本體

        喉襯本體是各運(yùn)動部件的支撐體,又承受很大的壓力載荷和溫度載荷。因此,要求喉襯材料具有較好的熱物理性能及機(jī)械性能,同時還要具有較高的抗燒蝕性能??刹捎弥崩瓱o緯碳布針刺氈增強(qiáng)的C/C復(fù)合材料做成圓柱形的毛坯[7],然后采用機(jī)械加工形成運(yùn)動部件的移動通道。

        4 結(jié)構(gòu)的密封與潤滑

        本文設(shè)計的可調(diào)喉徑結(jié)構(gòu)方案重點(diǎn)之處在于結(jié)構(gòu)的密封與潤滑。高溫高壓結(jié)構(gòu)下的潤滑和密封材料對各部件快速準(zhǔn)確的運(yùn)動具有重要影響[8]。一般潤滑油脂在高溫環(huán)境下易蒸發(fā)。因此,高溫固體潤滑和密封材料對此結(jié)構(gòu)具有重要意義[9]。

        鎳基高溫自潤滑合金是最常用的基材,其在500℃以上仍具有優(yōu)良的力學(xué)性能。鎳表面容易被氧化形成具有較好可塑性和附著性的NiO,而NiO本身也是一種高溫固體潤滑劑。同時,在鎳基合金中加入石墨粉和銀潤滑相,還可研制出摩擦系數(shù)低、耐磨性高且對偶件磨損小的高溫自潤滑復(fù)合材料。為了彌補(bǔ)固體潤滑材料填充能力和流動能力的不足,可將固體潤滑顆粒與苯醚撐硅靜密封不硫化膩?zhàn)泳鶆蚧旌希偻磕ㄓ谶\(yùn)動部件的與通道相接觸的表面上。這樣既可發(fā)揮固體材料潤滑減阻的作用,也可使不硫化膩?zhàn)訉Ω邷厝細(xì)馄鸬矫芊夂透魺岬男Ч?,防止燃?xì)馔ㄟ^運(yùn)動間隙進(jìn)入喉襯本體引起噴管燒穿。

        喉襯本體及其整個運(yùn)動機(jī)構(gòu)需在一個完全封閉的環(huán)境下工作,以避免密封失效;長尾噴管結(jié)構(gòu)可為該裝置提供密封所需空間。

        5 運(yùn)動部件強(qiáng)度模擬

        當(dāng)保持體1組和2組的所有部件運(yùn)動到終點(diǎn)喉徑位置處時,在高溫高壓環(huán)境下,部件結(jié)構(gòu)完整性是影響發(fā)動機(jī)正常工作的關(guān)鍵因素。本文考慮在燃?xì)鈮毫ο?,用鎢滲銅材料制作的保持體1組和2組部件的應(yīng)力場分布。

        鎢滲銅材料參數(shù):密度ρ=17.29 g/cm3,抗拉強(qiáng)度σm=600~800 MPa,彈性模量 E=10 GPa,泊松比 μ=0.29,燃?xì)鈮毫θ?15 MPa。

        保持體1組和2組部件均是懸臂梁結(jié)構(gòu),采用10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)單元自由劃分,其網(wǎng)格模型分別如圖8所示。圖8中,紅色部分表示燃?xì)鈮毫d荷加載位置,單向加載。在燃?xì)鈮毫ψ饔孟拢瑑山M部件的最大Von Mises應(yīng)力分別為47.687 MPa 和108.689 MPa,都遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度,如圖9所示。

        6 結(jié)束語

        本文的可變喉徑噴管方案主要對喉襯本體及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了建模。結(jié)構(gòu)部件材料的選擇,考慮了目前固體火箭發(fā)動機(jī)上應(yīng)用成功的案例。針對高溫高壓環(huán)境下結(jié)構(gòu)的潤滑和密封形式,結(jié)合當(dāng)前高溫固體潤滑材料的研究,說明了金屬基固體潤滑材料用于此結(jié)構(gòu)的可行性。通過有限元仿真模擬,說明了運(yùn)動部件在終點(diǎn)喉徑處,可保持喉徑截面形狀的完整性。

        可調(diào)喉徑結(jié)構(gòu)工作原理較復(fù)雜,需相應(yīng)控制和驅(qū)動機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動作,但喉徑可調(diào)帶來的發(fā)動機(jī)推力收益遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來的負(fù)面效應(yīng)。因此,本文的可調(diào)喉徑結(jié)構(gòu)可為單室雙推或雙脈沖固體火箭發(fā)動機(jī)提供新的設(shè)計思路。

        [1]張淑慧,等.推力可控固體火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)用與發(fā)展[J].固體火箭技術(shù),2002,25(4).

        [2]周建軍.利用定向可調(diào)噴管提升單室雙推固體火箭發(fā)動機(jī)性能[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2009,29(1).

        [3]謝文超,等.空空導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

        [4]張躍峰,郭顏紅,張澤遠(yuǎn).一種可變喉徑噴管設(shè)計方案[J].航空兵器,2007,10(1).

        [5]陳汝訓(xùn),等.固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計與研究(下)[M].北京:宇航出版社,1992.

        [6]陳偉,等.鎢滲銅材料高溫力學(xué)性能與組織研究[J].宇航材料工藝,2005(1).

        [7]張宏波,等.無緯碳布增強(qiáng)針刺氈C/C復(fù)合材料性能的研究[J].宇航材料工藝,2007(1).

        [8]薛茂權(quán),熊黨生,閆杰.高溫固體潤滑材料的研究現(xiàn)狀[J].兵器材料科學(xué)與工程,2003,26(11).

        [9]范召東,張鵬,王景鶴.耐高溫密封材料的密封性能研究[J].有機(jī)硅材料,2005,19(1).

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