張 強(qiáng),田凌寒

(西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710025)

0 引言

隨著世界各國(guó)武器裝備技術(shù)的發(fā)展,為了應(yīng)對(duì)日益加劇的彈道導(dǎo)彈武器威脅,越來越多的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)已相繼部署。動(dòng)能攔截彈便是伴隨著美國(guó)的“戰(zhàn)略防御倡議”(strategic defense initiation,SDI)計(jì)劃實(shí)施并迅速發(fā)展起來的一種新型武器,其戰(zhàn)略目標(biāo)主要是應(yīng)用于防御彈道導(dǎo)彈及對(duì)空中目標(biāo)衛(wèi)星的精確打擊。動(dòng)能攔截器(kinetic kill vehicle,KKV)作為動(dòng)能攔截彈的核心組成部分，是一種高精度、高機(jī)動(dòng)、高智能、信息高度密集的信息化武器，采用了自尋的技術(shù)，通過自主探測(cè)、制導(dǎo)與控制實(shí)現(xiàn)“零控脫靶量”的直接碰撞要求[1]。

姿控發(fā)動(dòng)機(jī)是KKV的關(guān)鍵系統(tǒng),其推力控制方案有變?nèi)細(xì)饬髀史桨负兔}寬調(diào)制變推力方案兩種，其中,附壁射流式方案利用燃?xì)庀嗷プ饔酶淖內(nèi)細(xì)饬飨驅(qū)崿F(xiàn)變推力,與其他方案相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,動(dòng)態(tài)特性好,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度存在天然優(yōu)勢(shì)。眾多研究者針對(duì)該方案展開了試驗(yàn)和數(shù)值研究。Roger等[2]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)-3導(dǎo)彈中姿控閥所采用的附壁射流放大雙穩(wěn)方案進(jìn)行了數(shù)值研究，獲得了內(nèi)流場(chǎng)特性。平浚等[3]研究了從附壁射流低壓渦流區(qū)內(nèi)抽吸空氣時(shí)射流的運(yùn)動(dòng)特性。Kim等[4]對(duì)科恩達(dá)射流元件進(jìn)行性能優(yōu)化，主要研究?jī)蓚€(gè)重要參數(shù)噴嘴的喉部間隙與滯壓比對(duì)附壁射流特性的影響；楊旭[5]通過仿真手段研究了位差、側(cè)壁傾角、控制口寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制流量對(duì)射流參數(shù)的影響。Heo等[6]對(duì)附壁射流閥進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了附壁射流響應(yīng)時(shí)間為6～7 ms。文中對(duì)附壁射流式姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 物理模型與計(jì)算方法

1.1 物理模型

附壁射流式姿控發(fā)動(dòng)機(jī)使用先導(dǎo)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)燃?xì)夥糯罂刂啤Ｈ鐖D1所示,燃?xì)鈴娜細(xì)獍l(fā)生器經(jīng)主氣流入口流入,一小部分作為控制氣流通過控制氣流出口流入電磁先導(dǎo)閥進(jìn)行方向切換,然后控制氣流由控制氣流入口流入,主氣流在控制氣流的射流作用下向一側(cè)附壁,并經(jīng)換向裝置最終通過噴管流出實(shí)現(xiàn)推力輸出(圖中所示為電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇控制氣流1流通,主氣流由噴管2流出),如此控制主氣流的方向,實(shí)現(xiàn)彈體姿態(tài)或者軌道上單方向正負(fù)2個(gè)矢量的推力。

圖1 姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理示意圖

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)是一個(gè)三維、非定常、多相的湍流流動(dòng)、傳熱過程,流動(dòng)情況非常復(fù)雜,必須進(jìn)行假設(shè)和簡(jiǎn)化,具體如下:

1)流動(dòng)為定常流動(dòng);

2)壁面為絕熱的,整個(gè)流場(chǎng)與外界無熱交換,流動(dòng)為絕熱流動(dòng);

3)氣體為理想氣體,符合狀態(tài)方程P=ρRT。

采用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。湍流模型采用k-ωSST模型,二階迎風(fēng)格式離散。計(jì)算的收斂準(zhǔn)則為:連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程以及各組分的輸運(yùn)方程的殘差下降3個(gè)數(shù)量級(jí)以上,且流場(chǎng)出入口流量穩(wěn)定。

姿控發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算模型如圖1所示,包括燃?xì)獍l(fā)生器噴管、附壁射流元件(即從燃?xì)獍l(fā)生器出口到噴管前擾流裝置之前的部分)、換向裝置和外噴管等。生成的計(jì)算網(wǎng)格為六面體與四面體的混合網(wǎng)格,考慮湍流附面層影響,網(wǎng)格在壁面附近進(jìn)行加密。文中計(jì)算中涉及到的邊界條件有如下三類:入口壓力邊界條件、固體壁面邊界條件和出口壓力邊界條件。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 切換過程流場(chǎng)分析

以流道中馬赫數(shù)的分布變化為例說明推力切換過程中的流場(chǎng)變化。圖2～圖5給出了不同時(shí)刻馬赫數(shù)分布,由圖可見,附壁射流元件的主射流口處流動(dòng)均為亞音速流動(dòng)。在初始時(shí)刻右側(cè)控制氣流連通,主氣流完全沿附壁射流元件左壁流動(dòng)并全部由左側(cè)噴管噴出。此時(shí)切換控制氣流的方向,使左側(cè)控制氣流發(fā)揮作用。在射流點(diǎn)處形成一個(gè)小型渦流,使得原先附壁的左側(cè)壁面發(fā)生流動(dòng)分離,且隨著時(shí)間的推移渦流逐漸擴(kuò)大并向前移動(dòng)。與此同時(shí)主氣流開始附著于右側(cè)壁面,隨著時(shí)間推移附壁面積逐漸增大直至穩(wěn)定附壁。隨著流動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展,換向撥片右側(cè)壓力逐漸升高,撥片上的合力逐漸減小至0,隨后反向,并推動(dòng)撥片在換向通道內(nèi)移動(dòng),使右側(cè)噴管打開,主氣流從右側(cè)噴管噴出。當(dāng)流動(dòng)發(fā)展穩(wěn)定后,主氣流完全由右側(cè)噴管噴出,與初始狀態(tài)相對(duì)稱。以上是推力切換的整個(gè)過程,同理當(dāng)控制氣流由左側(cè)變?yōu)橛覀?cè)時(shí),推力則由右側(cè)切向左側(cè),與上述過程相對(duì)稱。

圖2 0時(shí)刻馬赫數(shù)分布

圖3 第0.08 ms馬赫數(shù)分布

圖4 第0.15 ms時(shí)刻馬赫數(shù)分布

圖5 第0.25 ms馬赫數(shù)分布

2.2 壓力流量特性分析

圖6 控制氣流無量綱流量

圖7 附壁射流元件出口無量綱流量

2.3 推力切換動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

圖8 換向撥片受力及位移隨時(shí)間變化

圖9為發(fā)動(dòng)機(jī)無量綱推力隨時(shí)間的變化曲線。在0.12 ms之前,發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向向左,大小保持不變。隨后在0.12～0.22 ms內(nèi),推力先緩慢減小后急劇減小,0.22 ms降為0,之后推力切換到相反的方向,至0.3 ms附近時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。需要注意的是,推力開始發(fā)生變化的時(shí)間與撥片作動(dòng)時(shí)間相比,存在0.02 ms 的滯后,此時(shí)間為流動(dòng)發(fā)展所需時(shí)間。由以上分析可知,推力切換響應(yīng)時(shí)間為0.3 ms。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨時(shí)間變化曲線

2.4 計(jì)算結(jié)果可靠性驗(yàn)證

目前公開發(fā)表的附壁射流式姿控發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)方面試驗(yàn)及數(shù)值研究的文獻(xiàn)較少。圖10為標(biāo)準(zhǔn)-3導(dǎo)彈姿控發(fā)動(dòng)機(jī)換向撥片受力隨切換時(shí)間的響應(yīng)仿真曲線,在0.32 ms時(shí),換向撥片上的合力減小至0并開始反向增大,作動(dòng)開始;至0.54 ms時(shí)撥片受力的值等于作動(dòng)前的反方向力,可以認(rèn)為作動(dòng)完成,作動(dòng)時(shí)間為0.22 ms。圖10與圖8文中計(jì)算所得換向撥片受力曲線基本一致,從切換初時(shí)刻到撥片開始作動(dòng)的時(shí)間為0.32 ms較文中計(jì)算的0.10 ms更長(zhǎng),這是由于標(biāo)準(zhǔn)-3軌控發(fā)動(dòng)機(jī)具有兩級(jí)附壁射流結(jié)構(gòu),第一級(jí)的附壁射流元件輸出作為第二級(jí)的控制氣流,因此射流發(fā)展時(shí)間更大;而撥片作動(dòng)時(shí)間0.22 ms比文中計(jì)算的作動(dòng)時(shí)間0.18 ms略長(zhǎng)，但處于合理范圍之內(nèi)。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)-3軌控發(fā)動(dòng)機(jī)換向撥片受力仿真曲線[6]

3 結(jié)論

對(duì)附壁射流式姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值研究,詳細(xì)分析了附壁射流動(dòng)態(tài)特性和推力切換響應(yīng)特性。

1)得到了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,主氣流和控制氣流作用發(fā)生射流附壁及流動(dòng)分離等流場(chǎng)特征發(fā)展的整個(gè)演化過程。

2)得到了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,從控制氣流換向到最終完成推力切換整個(gè)過程的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性及換向撥片作動(dòng)過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

3)附壁射流元件分流輸出比例為6.1∶1;附壁射流元件中形成附壁并發(fā)展穩(wěn)定歷時(shí)0.15 ms,換向撥片作動(dòng)時(shí)間為0.18 ms;發(fā)動(dòng)機(jī)推力切換時(shí)間為 0.3 ms。

以上成果,可以對(duì)進(jìn)一步研究姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的姿態(tài)控制特性及規(guī)律提供參考。