張 磊，佘湖清

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性好、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，因此其用于主動(dòng)攻擊水雷、魚(yú)雷、潛射導(dǎo)彈等水下高速攻擊武器的主要推進(jìn)動(dòng)力［1］。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在水下工作時(shí)，由于噴管外部環(huán)境水密度遠(yuǎn)大于空氣，且超音速的高溫高壓燃?xì)馀c周?chē)畡×蚁嗷プ饔眯纬珊屑げ?、相變、漩渦等復(fù)雜物理過(guò)程的不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能難以預(yù)估［2-3］。因此深入研究不同水深工況下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性及復(fù)雜兩相流動(dòng)機(jī)理，對(duì)水下火箭動(dòng)力發(fā)展具有重要意義。

針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下工作過(guò)程及流場(chǎng)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。王寶壽等［4］通過(guò)壓力水筒的推力矢量試車(chē)臺(tái)，測(cè)量了水深為10～40 m 條件下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下點(diǎn)火工作時(shí)的推力和側(cè)向力，研究了不同推力矢量控制方式下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性。賈有軍等［5］利用水下點(diǎn)火試車(chē)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)尾流的形貌及其演化過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。湯龍生等［6］通過(guò)有限水域環(huán)境試驗(yàn)研究了水下燃?xì)馍淞鳉馀莸纳L(zhǎng)過(guò)程、壓力波傳遞及衰減特性。施紅輝等［7-8］進(jìn)行了三維水下超聲速冷噴氣體射流的可視化試驗(yàn)研究，分析了射流形成后氣液界面的不穩(wěn)定過(guò)程以及由此引起的射流脹鼓與回?fù)舻攘鲃?dòng)振蕩現(xiàn)象。張春等［9］在壓力水筒中開(kāi)展固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，并基于流體體積函數(shù)（VOF）模型對(duì)燃?xì)馀c水相互作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值求解，著重分析了水下超聲速燃?xì)馍淞靼l(fā)展初期的燃?xì)馀菪螒B(tài)及流場(chǎng)變化規(guī)律。王利利等［10］采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下超聲速射流的流場(chǎng)及推力演化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)比分析了兩種擴(kuò)張比噴管的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與推力變化。唐云龍等［11-12］建立了水下發(fā)動(dòng)機(jī)軸對(duì)稱(chēng)模型，將射流典型結(jié)構(gòu)與推力曲線(xiàn)時(shí)刻進(jìn)行對(duì)照分析，并探究了發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期推力峰值的影響因素。張帥［2］基于VOF 界面追蹤方法建立了發(fā)動(dòng)機(jī)水下燃?xì)獬曀偕淞髂Ｐ?，研究了不同工作水深和噴管膨脹比?duì)水下發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響。

綜上所述，關(guān)于水下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值仿真大部分只重點(diǎn)研究了水下燃?xì)馀菪螒B(tài)及流場(chǎng)變化規(guī)律，且與實(shí)際復(fù)雜過(guò)程有一定差別。對(duì)實(shí)驗(yàn)研究?jī)H在有限水域模擬試驗(yàn)環(huán)境的容器中進(jìn)行，由于實(shí)驗(yàn)條件和成本的限制，關(guān)于真實(shí)水環(huán)境中發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性研究未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。為此，本研究利用連接船體的升降平臺(tái)，在湖上開(kāi)闊水域不同水深開(kāi)展固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究，討論了發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)水下燃?xì)馍淞髁鲌?chǎng)特性以及不同水深（10，30，50 m）環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響，并分析了不同裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)在水下工作的推力變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在水下的總體布置如圖1 所示，主要包括試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、連接船體升降平臺(tái)、操作控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)。

圖1 水下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局示意圖1—火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，2—推力架，3—推力傳感器，4—底座，5—壓力傳感器，6—升降平臺(tái)，7—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，8—穩(wěn)壓電源，9—高速攝像機(jī)Fig.1 Schematic diagram of the layout of underwater rocket engine experimental system1—rocket engine，2—thrust stand，3—thrust sensor，4—base，5—pressure sensor，6—lifting platform，7—data collection system，8—power supply，9—high speed camera

實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由前端蓋、燃燒室、推進(jìn)劑、擋藥架、噴管、后端蓋等組成，如圖2 所示。采用內(nèi)外孔恒面燃燒的裝藥結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中有三種不同推進(jìn)劑裝藥的發(fā)動(dòng)機(jī)，裝藥參數(shù)如表1 所示，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴喉直徑分別為18，11，18 mm。

連接船體升降平臺(tái)可以通過(guò)船上室內(nèi)操作控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0～200 m 水深范圍內(nèi)升降并制動(dòng)在某一深度。通過(guò)操作控制臺(tái)顯示器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)升降平臺(tái)升降速度及所處的深度，便于檢查試驗(yàn)過(guò)程中詳細(xì)情況。

數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)由水下高速攝像機(jī)、壓力傳感器、推力傳感器、應(yīng)變放大器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)等組成，可以實(shí)現(xiàn)壓力、推力數(shù)據(jù)及尾流場(chǎng)圖像的自動(dòng)采集。

圖2 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖1—前端蓋，2—燃燒室殼體，3—推進(jìn)劑，4—測(cè)壓孔，5—擋藥板，6—后端蓋，7—噴管Fig.2 Schematic diagram of the experimental engine1—front cover，2—combustion chamber shell，3—propel?lant，4—pressure hole，5—charge baffle，6—rear cover，7—nozzle

表1 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥參數(shù)mmTable 1 The charging parameters of experimental engines mm

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作過(guò)程為將完成裝藥的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝固定在升降平臺(tái)上，連接測(cè)量線(xiàn)路并進(jìn)行調(diào)試，再連接點(diǎn)火線(xiàn)路并確認(rèn)電阻正常。然后通過(guò)船上操作控制系統(tǒng)將升降平臺(tái)以5 m·min-1的速度下降到預(yù)定的水深，收到電點(diǎn)火信號(hào)后，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，燃燒室內(nèi)迅速產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓焖倬蹓簺_破密封膜片，超聲速燃?xì)馀c周?chē)畡×覔交臁?shù)據(jù)采集后，將升降平臺(tái)上升到水面。為了接近火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境，本試驗(yàn)全過(guò)程在湖上開(kāi)闊水域進(jìn)行。

圖3 連接船體升降平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the lifting platform connected to the hull

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 水下燃?xì)馍淞鞯牧鲃?dòng)特性

用高速攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)1 點(diǎn)火瞬間水下燃?xì)馍淞鞯男蚊布捌渥兓^(guò)程，其典型的擴(kuò)展形態(tài)演化過(guò)程如圖4 所示。點(diǎn)火后生成的燃?xì)馐艿絿姽苊芊馍w的慣性約束作用，燃燒室建壓一定程度時(shí)，燃?xì)鉀_破密封蓋的約束推動(dòng)周?chē)橘|(zhì)，類(lèi)似于發(fā)生水下輕微爆炸。

圖4 燃?xì)馍淞髟谒h(huán)境中擴(kuò)展形態(tài)的演化過(guò)程Fig.4 The evolution process for the extended form of gas jet in water environment

由圖4 可以看出，密封蓋打開(kāi)后，高速燃?xì)庋杆贈(zèng)_擊周?chē)橘|(zhì)，開(kāi)始形成扁平狀的燃?xì)馀?。隨著燃?xì)膺B續(xù)的噴射，燃?xì)馀蓊^部沿軸向迅速向下游擴(kuò)展，而尾部徑向受水壓作用逐漸收縮，發(fā)展為橢球體形狀，當(dāng)燃?xì)馍淞鬟_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，上游演化為細(xì)長(zhǎng)狀，且射流通道內(nèi)不斷出現(xiàn)膨脹?壓縮現(xiàn)象。由于射流過(guò)程中燃?xì)馀c水的速度相差較大，呈現(xiàn)Kelvin?Helmholtz 不穩(wěn)定效應(yīng)［17］，導(dǎo)致氣液界面脈動(dòng)劇烈，形成的氣液混合層呈“云團(tuán)”狀。由此可見(jiàn)，伴隨有傳熱、相變、激波等復(fù)雜的氣液相互作用對(duì)超聲速燃?xì)馍淞鹘Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響并消耗部分能量，會(huì)造成水下發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失。

3.2 不同水深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)1 在水深分別為10，30，50 m 條件下工作時(shí)，測(cè)得的燃燒室壓強(qiáng)如圖5 所示。從圖5 可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后燃燒室壓強(qiáng)迅速增大，瞬間出現(xiàn)壓強(qiáng)峰值，主要是由于噴管密封蓋打開(kāi)后受到高密度水環(huán)境的阻滯作用。燃燒室壓強(qiáng)隨水深變化影響較小，平衡壓強(qiáng)約為6.5 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間也基本相同，說(shuō)明試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)推進(jìn)劑的燃燒過(guò)程基本不受水深變化影響。推進(jìn)劑燃燒結(jié)束后燃燒室壓強(qiáng)迅速降低，直至降為環(huán)境壓強(qiáng)，這與實(shí)驗(yàn)中相對(duì)應(yīng)的10，30，50 m水深環(huán)境壓強(qiáng)一致，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案的準(zhǔn)確性。

圖5 不同水深下發(fā)動(dòng)機(jī)1 燃燒室壓強(qiáng)曲線(xiàn)Fig.5 Combustion chamber pressure curves of engine 1 at different water depths

圖6a、圖6b 和圖6c 分別為三種實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在水深10，30，50 m 工作時(shí)的推力曲線(xiàn)，從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火初期即出現(xiàn)推力峰值，與燃燒室壓強(qiáng)特征相同。對(duì)比圖6a、圖6b 和圖6c 發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)1、發(fā)動(dòng)機(jī)2、發(fā)動(dòng)機(jī)3 的裝藥燃燒時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，由于三種裝藥肉厚相同，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)1、發(fā)動(dòng)機(jī)2、發(fā)動(dòng)機(jī)3 裝藥燃速逐漸減小。發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在明顯周期性振蕩，主要是由燃?xì)馍淞鲀?nèi)的復(fù)雜激波結(jié)構(gòu)引起。隨著水深的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)推力明顯減小，主要是因?yàn)樗钤酱螅細(xì)馍淞魇艿剿h(huán)境擠壓強(qiáng)度越大，燃?xì)獾呐蛎?壓縮過(guò)程越不充分。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平衡段時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)推力的平均值稱(chēng)為平衡推力，發(fā)動(dòng)機(jī)1在10 m 水深工作的平衡推力為2.33 kN，水深從10 m 增加到30 m 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1平衡推力降低了12%，水深從30 m 增加到50 m 時(shí)，平衡推力降低了10.7%。發(fā)動(dòng)機(jī)2 工作從水深10 m 增加到50 m 時(shí)，平衡推力降低了21%。發(fā)動(dòng)機(jī)3工作從水深10 m增加到50 m時(shí)，平衡推力降低了26.5%。由此可見(jiàn)水深對(duì)水下發(fā)動(dòng)機(jī)推力有較大影響，屬于非線(xiàn)性關(guān)系。基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的特點(diǎn)，采用指數(shù)衰減方程對(duì)水深與發(fā)動(dòng)機(jī)推力的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖7 所示。擬合出的函數(shù)關(guān)系為F = A0+ A1e-h/A2式中，F(xiàn) 為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，kN；h 為發(fā)動(dòng)機(jī)工作水深，m；A0、A1、A2為擬合參數(shù)，如表2 所示。

圖6 3 種發(fā)動(dòng)機(jī)在不同水深下的推力曲線(xiàn)Fig.6 Thrust curves of three engines at different water depths

圖7 水下發(fā)動(dòng)機(jī)平衡推力隨工作水深變化曲線(xiàn)Fig.7 Balanced thrust vs water depth curves of three engines at different water depths

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨水深變化的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters for engine thrust with water depth

發(fā)動(dòng)機(jī)推力擬合模型與實(shí)測(cè)值之間的誤差見(jiàn)表3，可以看出擬合值與實(shí)測(cè)值的誤差均在1%以?xún)?nèi)，說(shuō)明擬合模型能夠較好的反映出發(fā)動(dòng)機(jī)平衡推力與水深之間的關(guān)系，為10～50 m 不同水深的發(fā)動(dòng)機(jī)平衡推力預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)推力擬合值與實(shí)測(cè)值誤差Table 3 The error between the fitted value of engine thrust and the measured value

為說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)水下工作效率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水下工作與地面工作情況相比較，則水下發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小量定義為：

式中，F(xiàn)d為地面推力，kN；Fs為水下推力，kN。

圖8 水下發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小量隨水深的變化曲線(xiàn)Fig.8 Thrust reduction of underwater engine with increase of the water depths

4 結(jié)論

利用連接船體升降平臺(tái)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下工作特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了水下發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馍淞鞯臄U(kuò)展過(guò)程，同時(shí)討論了不同水深條件下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力特性，可得出以下結(jié)論：

（1）高溫高壓燃?xì)馍淞髟谒碌臄U(kuò)展是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，初期形成扁平狀的燃?xì)馀葜饾u演變?yōu)闄E球體形狀，射流通道內(nèi)不斷出現(xiàn)膨脹?收縮現(xiàn)象。氣液界面脈動(dòng)劇烈，形成的混合層呈“云團(tuán)”狀。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火初期出現(xiàn)推力峰值，發(fā)動(dòng)機(jī)推力隨著水深增大而減小，燃燒室壓強(qiáng)基本不變。發(fā)動(dòng)機(jī)1 在10 m 水深工作的平衡推力為2.33 kN，水深從10 m 增加到30 m 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1 平衡推力降低了12%，水深從30 m 增加到50 m 時(shí)，平衡推力降低了10.7%。發(fā)動(dòng)機(jī)2 工作從水深10 m 增加到50 m 時(shí)，平衡推力降低了21%。發(fā)動(dòng)機(jī)3 工作從水深10 m 增加到50 m時(shí)，平衡推力降低了26.5%。

（3）隨著水深的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力減小量增大，在同一水深時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)2 的推力減小量最小，在10 m水深工作的推力減小量?jī)H為4.5%。