蘭飛強，王麗娟，程 翔，智 博

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

燃氣發(fā)生器流量調(diào)節(jié)技術是整體式固體火箭沖壓發(fā)動機的關鍵技術之一，常用的方案主要有控制推進劑的燃燒面積、非壅塞自適應調(diào)節(jié)、渦旋閥法、調(diào)節(jié)噴管喉部面積法等[1－5]，其中調(diào)節(jié)噴管喉部面積法能有效的控制喉部面積的大小，控制靈活準確，可以實現(xiàn)燃氣流量的完全調(diào)節(jié)，使補燃室的空燃比始終保持在較優(yōu)的范圍，充分發(fā)揮推進劑的能量，可以滿足固沖發(fā)動機大空域工作的需求，也可以在飛行過程中根據(jù)任務需求調(diào)節(jié)燃氣流量，優(yōu)化能量分配，提高能量使用效率，提高沖壓發(fā)動機的工作性能。因此，目前國際上已紛紛開展相應的應用研究，取得了不少進展。

文中針對某型固沖發(fā)動機用流量調(diào)節(jié)裝置進行了詳細設計，完成了流場與結構仿真計算，在仿真計算的基礎上加工試驗件進行了熱試試驗。

圖1 歐洲流星導彈結構示意圖

1 調(diào)節(jié)裝置設計

1.1 調(diào)節(jié)原理

由燃氣生成率方程：

燃氣排出率方程：

分析上式可見：如需要增加qmf，應減小Agt使燃氣發(fā)生器壓力Pg提高，燃速r增加，燃氣生成量增加，并達到新的平衡。需要減少qmf則與上述過程相反。

同樣可以導出 qmf、Pg、Agt之間的關系，分別以1和2代表兩種狀態(tài)：

由上式可以看出，流量變化量和噴嘴通道面積變化量及推進劑壓強指數(shù)n有關，高壓強指數(shù)下，相同的Agt1/Agt2可使流量獲得更大的調(diào)節(jié)量。為了獲得高的流量調(diào)節(jié)比，希望壓強指數(shù)n大一些，但使用過高的n值推進劑，在燃面突增、工藝產(chǎn)生燃速偏差等情況時，容易出現(xiàn)高壓爆炸的危險。

根據(jù)某型固沖發(fā)動機的具體需求進行了詳細設計，設計壓力比為100∶1，流量調(diào)節(jié)比大于10∶1。

1.2 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)包括試驗用燃氣發(fā)生器、流量調(diào)節(jié)裝置、點火與測試系統(tǒng)、燃氣壓力控制系統(tǒng)等，試驗用藥為含硼貧氧藥，燃氣發(fā)生器的壓力為控制量進行閉環(huán)控制，測量得到的燃氣發(fā)生器壓力送到壓力控制系統(tǒng)，與期望的壓力曲線進行比較，控制算法給出調(diào)節(jié)裝置的運動信號，調(diào)節(jié)板轉動，改變喉部面積，達到改變?nèi)細獍l(fā)生器壓力繼而改變流量的目的?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

1.3 結構設計

本方案流量調(diào)節(jié)裝置由支撐件組合、導管組合、調(diào)節(jié)板、調(diào)節(jié)軸、伺服系統(tǒng)等零(部)件組成，圖3為結構的示意簡圖，支撐件組合為主承力結構，其他零(部)件安裝在支撐件組合之上。

圖3 調(diào)節(jié)裝置結構簡圖

整個流量調(diào)節(jié)裝置位于燃氣發(fā)生器和補燃室之間，工作環(huán)境極其惡劣[6－9]，高溫高壓的燃氣直接作用在調(diào)節(jié)裝置上，同時由于燃氣中存在大量的凝相粒子，工作過程中可能沉積造成卡滯，嚴重時可能還會導致燃氣壓力的異常變化，出現(xiàn)發(fā)動機爆炸的危險，在設計中通過仿真分析對調(diào)節(jié)板、氣流通道的形狀進行了優(yōu)化設計，優(yōu)選材料以減少沉積的發(fā)生，同時在與燃氣直接接觸的部位均設計有熱防護層，降低燃氣和凝相粒子的燒蝕，隔絕傳遞到結構件的熱量，使伺服系統(tǒng)等在發(fā)動機工作過程中始終能正常工作。

流量調(diào)節(jié)裝置工作原理如下：伺服電機根據(jù)控制信號大小轉動，通過一系列的減速機構帶動調(diào)節(jié)軸和調(diào)節(jié)板轉動，從而改變噴管通氣面積，燃氣發(fā)生器燃氣壓力隨之改變，達到調(diào)節(jié)流量的目的。同時采用電位器檢測調(diào)節(jié)軸的轉動角度，構成角度反饋控制系統(tǒng)。

2 流場仿真分析

為了簡化模型，在計算中不包含燃氣發(fā)生器模型，僅僅做出單個燃氣導管以及導管和旋轉盤閥延伸面的燃氣模型，如圖4，計算中所用到的邊界條件類型有：壓力入口(pressure_inlet)、壓力出口(pressure_outlet)與無滑移絕熱固壁(wall)，其中按照壓力入口計算收斂后按照質(zhì)量流率入口(mass flow_inlet)重新計算收斂。

圖4 流場計算模型

計算中選用Fluent的couple+implicit求解器，紊流模型采用標準κ-ε模型，流動方程、κ方程與ε方程的離散選擇一階精度。計算的收斂準則為：連續(xù)方程、動量方程、能量方程以及κ、ε方程的殘差下降3個數(shù)量級，且燃氣導管出口流量穩(wěn)定。

限于篇幅，文中僅給出了最小、最大流量狀態(tài)下導管出口的馬赫數(shù)云圖以及導管軸對稱平面的馬赫數(shù)云圖(見圖5～圖8)，從計算結果可以看出，燃氣流在燃氣發(fā)生器內(nèi)部流動速度為亞音速，在導管擴張段過后，流動在等直段后加速到超音速并形成一道斜激波，斜激波過后氣流速度降低，并隨流量的增大，激波的強度也隨之增加。

圖5 最小流量狀態(tài)導管軸對稱平面馬赫數(shù)云圖

圖6 最小流量狀態(tài)導管出口馬赫數(shù)

圖7 最大流量狀態(tài)導管出口馬赫數(shù)

圖8 最大流量狀態(tài)導管軸對稱平面馬赫數(shù)云圖

3 強度仿真

為盡量減輕整個裝置的重量，支撐件承力材料采用鈦合金，采用Patran/Nastran軟件對其進行強度校核計算，在計算中不考慮與氣流接觸的熱防護層，燃氣壓力載荷大小根據(jù)流場計算結果給出，計算結果見圖9，可以看出，支撐件的最大應力小于材料的抗拉強度，工作安全。同樣對導管組合也進行強度計算，同樣不考慮與氣流接觸的熱防護層，導管的承力材料為30CrMnSiA，計算結果如圖10所示，可以看出，導管支撐件的最大應力也小于材料的抗拉強度，工作安全。

圖9 支撐件在壓力載荷下的應力云圖

圖10 導管在壓力載荷下的應力云圖

試驗件加工完成后對試驗件進行了水壓檢驗，試驗過程中水壓穩(wěn)定無下降，試驗件保持正常，泄壓后試驗件無殘余變形。

4 試驗研究

在上述設計的基礎上，加工了試驗件進行熱試試驗，試驗用燃氣發(fā)生器裝藥為高能含硼推進劑，試驗前給出期望的燃氣發(fā)生器變化曲線，在試驗中壓力控制系統(tǒng)根據(jù)期望的壓力曲線控制調(diào)節(jié)裝置的運動，圖11為熱試試驗中實測燃氣發(fā)生器壓力和期望壓力的比較圖，圖中實線為期望的壓力變化曲線，虛線為實際測量得到的燃氣發(fā)生器壓力，從中可以看出，試驗壓力曲線與期望壓力曲線的吻合性較好，說明在整個工作過程中整個流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作正常，在控制系統(tǒng)的控制下，調(diào)節(jié)機構可以根據(jù)指令改變喉部面積進而改變?nèi)細獍l(fā)生器壓力，使燃氣發(fā)生器流量按任務需求進行調(diào)節(jié)。

圖11 熱試試驗實測壓力和期望壓力比較圖

圖12為試驗曲線上低壓部分和高壓部分對應的火焰變化情況，從圖中可以看出火焰的變化與燃氣發(fā)生器壓力的變化一致，在高壓情況下，明亮且火焰較長，在低壓情況下，暗淡且火焰較短。

圖12 低壓和高壓平臺時火焰圖像

5 結論

文中針對固沖發(fā)動機對流量調(diào)節(jié)裝置的需求開展了詳細設計，對其進行了結構與流場仿真計算，在此基礎上完成了試驗件的設計與加工，完成了壓力閉環(huán)的熱試試驗，從試驗結果可以得出以下結論：

1)本方案中設計的流量調(diào)節(jié)裝置可以根據(jù)指令要求對燃氣發(fā)生器壓力、流量進行調(diào)節(jié)，在工作過程中調(diào)節(jié)板轉動靈活，沉積少，可以滿足發(fā)動機的需求;

2)試驗結束后觀察熱防護層未完全炭化，可以在下一步的工作中開展更長工作時間的試驗;

3)在初步的試驗中對控制系統(tǒng)未進行詳細的設計，為保證試驗安全，控制器參數(shù)的選取偏保守，在下一步的工作中應進行進一步的詳細設計。

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