王增輝，甘曉松，付 鵬，胡可心，王允勤，曲星云

(中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中，其壓強(qiáng)迅速在幾十至幾百毫秒內(nèi)上升到6～10 MPa左右[1]。這一快速建壓過(guò)程很容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱、絕熱層、包覆層等部件的相對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系發(fā)生變化，引起結(jié)構(gòu)或界面損傷，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸[2-4]。目前，研究人員通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中藥柱變形過(guò)程進(jìn)行了大量研究[5-7]。文獻(xiàn)[8]利用三維有限元方法對(duì)一種自由裝填式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在低溫點(diǎn)火整個(gè)過(guò)程中的溫度場(chǎng)、總位移、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了在工作過(guò)程中藥柱的結(jié)構(gòu)完整性。文獻(xiàn)[9]對(duì)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)第Ⅱ脈沖點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)第Ⅱ脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)。文獻(xiàn)[10-11]針對(duì)大長(zhǎng)徑比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)、溫度隨時(shí)間變化規(guī)律及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃?xì)獾牧鲃?dòng)特性。上述研究結(jié)果主要集中在藥柱本身的結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)破壞，很少涉及點(diǎn)火建壓過(guò)程對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)損傷的影響。

美國(guó)NASA在《空間飛行器設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]一文中指出，藥柱結(jié)構(gòu)及其界面損傷是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作失敗的主要原因。由于點(diǎn)火瞬間燃燒室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧、高溫高壓燃?xì)?，使得直接在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中測(cè)試藥柱、包覆層等結(jié)構(gòu)變化變得困難重重，因此研究人員普遍采用冷態(tài)高壓氣體來(lái)模擬燃燒室內(nèi)的建壓過(guò)程。文獻(xiàn)[13]通過(guò)I脈沖燃燒室快速?zèng)_壓試驗(yàn)，研究了軸向隔層式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ脈沖燃燒室點(diǎn)火建壓過(guò)程中Ⅱ脈沖藥柱和隔層的建壓穩(wěn)定后的變形情況，但未開(kāi)展建壓過(guò)程中的藥柱損傷特性研究。文獻(xiàn)[14]利用高速攝影機(jī)對(duì)快速充壓過(guò)程中的藥柱進(jìn)行拍攝，研究了藥柱變形與壓強(qiáng)差的關(guān)系。該方法應(yīng)用的藥柱為長(zhǎng)方體藥柱，與發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱有較大區(qū)別。文獻(xiàn)[15]研制了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)增壓試驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用嵌入式應(yīng)變片對(duì)藥柱內(nèi)表面應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量。文獻(xiàn)[16]使用工業(yè)氮?dú)饽M固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作中的壓力分布，文獻(xiàn)[17]用數(shù)值方法研究了激波管式快速充壓系統(tǒng)中的三維流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)。

本文介紹了一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火建壓過(guò)程的快速充壓試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在30 ms左右建立2～15 MPa壓強(qiáng)，并通過(guò)節(jié)流控制閥精確控制建壓時(shí)間和目標(biāo)壓強(qiáng)，可用于模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)的快速建壓過(guò)程。本文研究了自由容積、節(jié)流孔徑對(duì)快速充壓系統(tǒng)建壓時(shí)間的影響規(guī)律，并應(yīng)用該系統(tǒng)研究了某發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程快速建壓對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響。

1 快速充壓試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

快速充壓系統(tǒng)由儲(chǔ)氣罐、快速響應(yīng)電磁閥、測(cè)控系統(tǒng)、節(jié)流控制閥、試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)等組成，見(jiàn)圖1。儲(chǔ)氣罐用于儲(chǔ)存高壓氮?dú)?，快速響?yīng)電磁閥實(shí)現(xiàn)高壓氮?dú)馔返目焖俅蜷_(kāi)，節(jié)流控制閥用于控制快速建壓的時(shí)間，測(cè)控系統(tǒng)用于控制快速響應(yīng)電磁閥并測(cè)試儲(chǔ)氣罐和試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓強(qiáng)溫度變化曲線。

圖1 快速充壓試驗(yàn)系統(tǒng)組成

快速充壓試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理：根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的自由容積和建壓時(shí)間計(jì)算節(jié)流控制閥的孔徑。選擇合適的節(jié)流控制閥，打開(kāi)電磁閥，氣流進(jìn)入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，模擬點(diǎn)火瞬態(tài)壓強(qiáng)變化過(guò)程。經(jīng)過(guò)瞬態(tài)過(guò)程后，儲(chǔ)氣罐、試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和管道內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)了模擬瞬態(tài)建壓過(guò)程的目的。本系統(tǒng)可以模擬自由容積0～80 L的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，30 ms左右建立2～15 MPa壓強(qiáng)。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的確定

(1)建壓時(shí)間

快速充壓系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)拉瓦爾噴管式節(jié)流控制閥孔徑大小實(shí)現(xiàn)對(duì)建壓時(shí)間的模擬。建壓時(shí)間根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]，并引入工程修正系數(shù)，得到最終的計(jì)算式如下：

(1)

式中S為節(jié)流孔徑截面積，mm2；p0為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)初始?jí)簭?qiáng)，MPa；pR為目標(biāo)壓強(qiáng)，MPa；VF為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)自由容積，L；T為儲(chǔ)氣罐初始溫度，K；t為充氣時(shí)間，ms；k為比熱比。

(2)建壓延遲時(shí)間

建壓延遲時(shí)間是指從電磁閥電源接通時(shí)刻到電磁閥流通面積增大到節(jié)流孔徑面積的一段時(shí)間。在電磁閥開(kāi)啟的初期，閥門開(kāi)度小于節(jié)流控制閥的開(kāi)度，因此，此時(shí)的節(jié)流位置在電磁閥處。當(dāng)電磁閥開(kāi)度大于節(jié)流控制閥開(kāi)度時(shí)，建壓過(guò)程才能夠按照設(shè)定值實(shí)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)電磁閥開(kāi)度的迅速增加，有兩種途徑：一是提高每個(gè)電磁閥的響應(yīng)速度，目前市場(chǎng)上可供選擇的電磁閥響應(yīng)速度一般是300～500 ms，因此，該方法研制難度大、周期長(zhǎng)。二是通過(guò)并聯(lián)電磁閥的方式，將電磁閥的開(kāi)度可以迅速增加，在瞬間超過(guò)節(jié)流控制閥開(kāi)度。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，選擇3個(gè)DN80耐壓23 MPa的電磁閥，每個(gè)電磁閥打開(kāi)時(shí)間為約為400 ms，最終將建壓延遲時(shí)間縮短到40～50 ms。

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)建壓特性分析

為研究系統(tǒng)建壓特性，本文設(shè)計(jì)了30、50 L兩種自由容積，φ20、φ30、φ40 mm三種節(jié)流孔徑試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。理論建壓時(shí)間由式(1)獲得。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

(1)目標(biāo)壓強(qiáng)對(duì)建壓時(shí)間的影響特性

為研究建壓時(shí)間與目標(biāo)壓強(qiáng)之間的關(guān)系，首先開(kāi)展了3次試驗(yàn)，試驗(yàn)中保持節(jié)流孔徑40 mm、試驗(yàn)件自由容積30 L不變，分別改變目標(biāo)壓強(qiáng)2、5、10 MPa。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4，圖中左側(cè)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的全局圖，右側(cè)為震蕩段的放大圖。

(a)Full curves (b)Detailed curves

(a)Full curves (b)Detailed curves

(a)Full curves (b)Detailed curves

從圖2～圖4可看出，在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自由容積和節(jié)流孔徑不變的情況下，系統(tǒng)建壓時(shí)間與目標(biāo)壓強(qiáng)基本無(wú)關(guān)。該過(guò)程解釋為：假設(shè)儲(chǔ)氣罐壓強(qiáng)為p，當(dāng)高壓氮?dú)饬魅朐囼?yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在節(jié)流孔徑處形成音速流，質(zhì)量流率為m(流量與p成正比)，當(dāng)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓強(qiáng)達(dá)到0.528p時(shí)，節(jié)流孔徑處的流速變?yōu)閬喴羲?，質(zhì)量流量不斷減小(流量與壓強(qiáng)差成正比，壓強(qiáng)差與p成正比)，進(jìn)入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體總質(zhì)量為m(總質(zhì)量與p成正比)，因此所用充氣時(shí)間非常接近。但當(dāng)節(jié)流孔徑太小或者試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的自由容積太大時(shí)，由于節(jié)流孔徑中的流動(dòng)狀態(tài)與理想氣體有一定差距，因此該狀態(tài)下的充壓時(shí)間會(huì)出現(xiàn)一些偏差。

(2)節(jié)流孔徑對(duì)建壓時(shí)間的影響

為研究節(jié)流孔徑對(duì)建壓時(shí)間的影響，保持自由容積(30 L)和目標(biāo)壓強(qiáng)(10 MPa)不變，改變節(jié)流孔徑大小，分別選用20、30、40 mm的節(jié)流控制閥，開(kāi)展3次試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得的建壓時(shí)間分別為119.2、53.3、29.68 ms(見(jiàn)表1)。結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)流控制閥孔徑縮小時(shí)，建壓時(shí)間變長(zhǎng)。

(3)自由容積對(duì)建壓時(shí)間的影響

為研究自由容積對(duì)建壓時(shí)間的影響，保持目標(biāo)壓強(qiáng)(10 MPa)和節(jié)流孔徑(40 mm)不變，對(duì)自由容50 L的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行快速充壓試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。結(jié)果表明，當(dāng)自由容積從30 L增加50 L時(shí)，建壓時(shí)間增加。

(4)建壓模擬特性分析

通過(guò)對(duì)比上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)每次試驗(yàn)都有延遲時(shí)間(見(jiàn)圖2～圖4)，這個(gè)延遲時(shí)間是由于電磁閥打開(kāi)過(guò)程中，有效孔徑小于節(jié)流閥孔徑導(dǎo)致的。

(a)Full curves (b)Detailed curves

每次試驗(yàn)建壓后有1 s左右的穩(wěn)定時(shí)間段，即圖2中的平衡段，該段壓強(qiáng)與預(yù)設(shè)值誤差極小，說(shuō)明這種平衡式快速充壓系統(tǒng)能夠按照預(yù)定值實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?。建壓時(shí)間控制誤差小于0.98%，滿足目前試驗(yàn)需求。在平衡段內(nèi)由于溫度變化不大，該段區(qū)域內(nèi)的壓強(qiáng)基本保持恒定。在平衡段后為下降段，由于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的高純氮?dú)鉁囟认陆?，試?yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓強(qiáng)開(kāi)始下降。

壓強(qiáng)震蕩：在平衡段的前端為震蕩段，建壓速度越快，建壓頂點(diǎn)部位震蕩越大，建壓速度越慢，建壓頂點(diǎn)部位的曲線就越平緩。見(jiàn)圖2、圖5。

壓強(qiáng)上升特性：建壓曲線的前段斜率較大，曲線的后段斜率較小，原因是初期的節(jié)流閥喉徑處的流速是超音速，后期的流速是亞音速。具體見(jiàn)圖5。在建壓時(shí)間較短的試驗(yàn)曲線中，這種規(guī)律不明顯，見(jiàn)圖2～圖4。

建壓過(guò)程中的溫度變化：表1中，測(cè)試到的溫度曲線一般在190～200 ℃之間,最高溫度點(diǎn)為205 ℃。說(shuō)明在快速充壓的過(guò)程中溫度升高很明顯，對(duì)火工品的安全性有影響，可能導(dǎo)致某些藥柱意外點(diǎn)燃。因此，試驗(yàn)過(guò)程中需要做一定的安全防護(hù)。

2 點(diǎn)火建壓過(guò)程對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)完整性影響的試驗(yàn)

某型地面發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火初期即發(fā)生爆炸，經(jīng)初步推斷，認(rèn)為可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在快速建壓的過(guò)程中包覆層撕裂導(dǎo)致的。為了驗(yàn)證該推斷，需要進(jìn)行不同建壓速度的試驗(yàn)研究，因此設(shè)計(jì)了2種試驗(yàn)，另一種是緩慢增壓，排除緩慢增壓導(dǎo)致包覆層撕裂的可能性，另一種是應(yīng)用快速充壓系統(tǒng)，模擬點(diǎn)火建壓過(guò)程，驗(yàn)證不同建壓速度對(duì)包覆層損傷的程度。通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)的特性可知，本次試驗(yàn)需要選用對(duì)應(yīng)的節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)3種不同的點(diǎn)火建壓速度，調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣罐壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)控制。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的自由容積保持不變。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)意外燃燒，在推進(jìn)劑表面涂抹了限燃層。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用自由裝填包覆藥柱，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，在包覆層的后端與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體之間形成了部分密封結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)形成兩個(gè)腔：間隙腔和充氣腔。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)人工膠粘法模擬該結(jié)構(gòu)。間隙腔的間隙約0.5～0.7 mm。間隙腔是燃?xì)鉄o(wú)法到達(dá)的區(qū)域，充氣腔是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃?xì)獬涮畹膮^(qū)域，見(jiàn)圖6。

試驗(yàn)方案：針對(duì)3個(gè)自由裝填式的推進(jìn)劑，首先進(jìn)行慢充試驗(yàn)，然后進(jìn)行快充試驗(yàn)。

慢充試驗(yàn)：通過(guò)充氣口1給發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)緩慢充氣，充氣速率0.026 7 MPa/s，對(duì)應(yīng)的建壓時(shí)間187 000 ms，壓強(qiáng)到5 MPa停止，保壓30 min，排放氣體，在試驗(yàn)過(guò)程中，用壓差傳感器測(cè)量間隙腔和充氣腔內(nèi)的壓差。試驗(yàn)完成后對(duì)3個(gè)推進(jìn)劑進(jìn)行探傷。

快充試驗(yàn)：用快速充壓試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行快速充壓，充壓速率分別為5、40、80 MPa/s，對(duì)應(yīng)的建壓時(shí)間分別是1000、125、62.5 ms。目標(biāo)壓強(qiáng)均為5 MPa。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)3個(gè)推進(jìn)劑進(jìn)行探傷。

圖6 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，慢充試驗(yàn)時(shí)，所有藥柱均未出現(xiàn)裂縫，原因是氣體會(huì)慢慢泄露至間隙腔，使得兩個(gè)腔內(nèi)壓強(qiáng)保持一致，見(jiàn)圖7。當(dāng)進(jìn)行快充試驗(yàn)時(shí)，3次試驗(yàn)均出現(xiàn)裂縫，而且隨著建壓速度的提高，裂縫深度越深，見(jiàn)圖8～圖11。在3次快充過(guò)程中，兩個(gè)腔體內(nèi)均出現(xiàn)了壓差，建壓速度越快，壓差越大，導(dǎo)致的裂縫也相應(yīng)變大。

表2 試驗(yàn)結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱損傷試驗(yàn)結(jié)果

(a)Charging rate of 0.026 7 MPa/s (b)Charging rate of 5 MPa/s

(a)Charging rate of 0.026 7 MPa/s (b)Charging rate of 5 MPa/s

圖9 藥柱1裂縫局部放大圖

(a)Charging rate of 0.026 7 MPa/s (b)Charging rate of 40 MPa/s

(a)Charging rate of 0.026 7 MPa/s (b)Charging rate of 80 MPa/s

可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)充壓速率大于5 MPa/s時(shí)，藥柱與包覆層撕裂。因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火初期，初始燃面遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)值，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一套快速充壓試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)快速建壓的過(guò)程，最短建壓時(shí)間為30 s，建壓時(shí)間控制誤差小于0.98%，最高壓強(qiáng)15 MPa，試驗(yàn)驗(yàn)證的最高壓強(qiáng)為10 MPa，可模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)最小自由容積為0～80 L。30 ms可建立2～15 MPa壓強(qiáng)，滿足現(xiàn)有各種常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究需求。冷態(tài)快速充壓試驗(yàn)時(shí)測(cè)到的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)最高溫度為205 ℃，需要對(duì)推進(jìn)劑表面進(jìn)行阻燃處理，防止引燃推進(jìn)劑。快速充壓試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)有：在節(jié)流控制閥孔徑、試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自由容積不變的情況下，氣流平衡式的快速充壓系統(tǒng)模擬的建壓時(shí)間將不變，也就是建壓時(shí)間與目標(biāo)壓強(qiáng)無(wú)關(guān)；通過(guò)改變節(jié)流閥孔徑，可以精確控制建壓時(shí)間。

(2)應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)某試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了快速充壓模擬試驗(yàn)，通過(guò)控制建壓速率，分別模擬了4種充壓速率下的藥柱損傷特性，對(duì)每種充壓速率的藥柱進(jìn)行了CT檢測(cè)。試驗(yàn)表明，當(dāng)充壓速率分別為：5、40、80 MPa/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的藥柱包覆層脫粘深度分別是98、118、129 mm，出現(xiàn)藥柱包覆層脫粘的情況，使得初始燃面增加，是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸的主要原因。