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        管狀裝藥燃氣發(fā)生器工作壓強研究

        2022-03-15 05:40:12周福祥
        現(xiàn)代機械 2022年1期

        喻 峰,周福祥

        (江南機電設計研究所,貴州 貴陽 550025)

        0 引言

        裝填式管狀藥柱的燃氣發(fā)生器[1]工作時理論上是恒定壓強,但在很多型號研制初期會出現(xiàn)壓強持續(xù)升高或者后半段持續(xù)下降等現(xiàn)象,小直徑燃氣發(fā)生器出現(xiàn)的頻率更高。壓強過高會對結(jié)構(gòu)安全性本不存在燃氣沖刷前端限燃層導致脫落。而后端燃氣流會加速到10~50 m/s,當限燃層粘貼工藝有缺陷或不穩(wěn)定時,燃氣發(fā)生器[2-3]后端限燃層受燃氣流沖刷導致局部脫落可能性較大。推進劑持續(xù)燃燒產(chǎn)生的氣流對脫落的限燃層持續(xù)沖擊,限燃層持續(xù)脫落,因此本文只考慮后端面限燃層脫落情況。理論上在燃燒過程中,后端限燃層何時脫落、起始脫落位置等多種形式導致壓強多種變化。另外,由于兩端包覆的管狀藥柱內(nèi)外圓均是燃燒面,相對來說,內(nèi)圓空腔體積較大,點火器燃氣流首先點燃內(nèi)圓燃面,外圓燃面相對滯后。由此帶來的內(nèi)外圓燃速差異導致總?cè)济媾c理論不符,因此壓強趨勢與理論存在差異。本文主要分析以上兩種情況產(chǎn)生燃面及壓強變化的原因,研究結(jié)果表明該分析方法能有效評判試驗壓強異常現(xiàn)象,對改進藥柱和燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)設計提供理論依據(jù)。

        1 裝藥模型及性能參數(shù)

        以某項目燃氣發(fā)生器為例,其裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示,推進劑[4]燃面為管型藥柱,兩端粘貼限燃層,內(nèi)外圓表面燃燒。

        推進劑性能參數(shù)如下:

        (1)推進劑燃速:15 mm/s(P=10 MPa);

        (2)壓力指數(shù):0.3;

        (3)特征速度:1250 m/s;

        (4)密度:1.6 g/cm3。

        2 限燃層脫落

        2.1 假設條件

        為了便于研究機理,主要考慮三種狀態(tài),形式為后端面外圓限燃層脫落、后端面內(nèi)圓限燃層脫落、后端面內(nèi)外圓限燃層同時脫落,其脫落位置在藥柱內(nèi)外圓與限燃層搭接處。假設脫落狀態(tài)如下:

        (1)點火沖擊瞬間,限燃層出現(xiàn)局部脫落,即燃面燃燒零時刻即存在限燃層脫落,脫落長度為5 mm;

        (2)限燃層持續(xù)脫落速度與推進劑燃速相同,且沿徑向方向延伸;

        (3)限燃層與裝藥沿圓周徑向均勻脫落。

        2.2 外圓限燃層脫落

        推進劑總?cè)济孀兓^程包括四個燃面,分別為內(nèi)孔燃面、外孔燃面、后端面直段燃面和圓弧段燃面。隨著燃面推移,燃面變化過程有以下四個階段,如圖2所示。

        (1)零時刻,有三個燃面參與燃燒,內(nèi)孔燃面、外孔燃面和后端直段燃面;

        (2)隨著燃燒持續(xù),后端面分化成直段燃面和圓弧燃面,直段燃面逐步減小,圓弧段燃面逐步增大,內(nèi)孔燃面處于增面過程,外孔燃面處于減面過程;

        (3)隨著外孔直徑逐漸減小,后端直線段燃面消失,后端圓弧段燃面、內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程,外孔燃面處于減面過程;

        (4)當內(nèi)孔燃面逐漸推移至與圓弧燃面相交時,后端限燃層完全脫落,后端圓弧燃面開始減小,內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程,外孔燃面仍然處于減面過程,直至內(nèi)外圓孔燃面相交,燃燒結(jié)束。

        2.3 內(nèi)圓限燃層脫落

        內(nèi)孔限燃層脫落燃面推移過程與外孔一樣,如圖3所示,只是限燃層脫落起始位置不同。

        2.4 內(nèi)外圓限燃層同時脫落

        此燃面變化過程包括六個燃面,內(nèi)孔燃面、外孔燃面、內(nèi)孔直段燃面、內(nèi)孔圓弧段燃面、外孔直段燃面、外孔圓弧段燃面,如圖4所示。

        隨著燃面推移,燃面變化過程如下:

        (1)零時刻有四個燃面參與燃燒,內(nèi)孔燃面、外孔燃面、內(nèi)孔直段燃面、外孔直段燃面。

        (2)隨著燃燒持續(xù),后端內(nèi)孔分化成內(nèi)孔直段燃面和圓弧燃面,后端外孔分化成外孔直段燃面和圓弧燃面;內(nèi)、外孔的直段燃面逐步減小,圓弧段燃面逐步增大;內(nèi)孔燃面處于增面過程,外孔燃面處于減面過程。

        (3)隨著內(nèi)、外孔直徑逐漸減小,后端內(nèi)、外孔直線段燃面消失,內(nèi)、外孔圓弧段燃面處于增面過程,內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程,外孔燃面處于減面過程。

        (4)當內(nèi)、外孔燃面逐漸推移至與內(nèi)、外孔圓弧燃面相交時,后端限燃層完全脫落,內(nèi)、外孔圓弧燃面開始減小,內(nèi)孔燃面仍然處于增面過程,外孔燃面仍然處于減面過程,直至內(nèi)、外圓孔燃面相交,燃燒結(jié)束。

        2.5 燃面和壓強變化

        從圖1到圖4中可以看出,當管狀藥后端面限燃層脫落后引起的燃面變化情況。起始燃面由于存在限燃層局部脫落,燃面緩慢變小,當后端面直段燃面消失后,圓弧段燃面逐漸增大,總?cè)济嬷鸩教?,當限燃層全部脫落后,圓弧段燃面急劇下降,導致總?cè)幻嫦陆?,直到燃燒結(jié)束。內(nèi)孔限燃層脫落和外孔限燃層脫落,總?cè)济嫦嘟?,?nèi)外孔同時脫落帶來的燃面變化較大,根據(jù)燃面計算的燃燒室平衡壓強如圖5所示。

        3 內(nèi)外圓燃速差異

        固體火箭發(fā)動機工作原理為點火器工作產(chǎn)生初始高溫高壓燃氣,燃氣迅速流經(jīng)推進劑表面使推進劑開始燃燒,因此燃燒室內(nèi)推進劑起始燃燒面與裝藥燃面形狀有很大的關系。大多數(shù)燃氣發(fā)生器裝藥形式為裝填式管型藥柱,為了增加裝藥量,藥柱外圓與燃燒室內(nèi)壁絕熱層間隙較小,一般情況下間隙不大于3~5 mm,藥柱內(nèi)圓腔體是燃燒室最大的自由空間。當燃氣發(fā)生器使用單根管型藥柱時,點火器位于藥柱內(nèi)圓內(nèi),點火燃氣流瞬間占據(jù)內(nèi)孔空間,從而首先點燃內(nèi)圓表面推進劑。由于外圓與殼體間隙很小,點火燃氣流到燃燒室后封頭反流回殼體間隙,外圓裝藥表面才開始逐漸燃燒,此時間隙處的外圓表面燃燒由于溫度、流量、流速形成的工況與內(nèi)圓空腔環(huán)境大相徑庭,裝藥表面燃速受到較大的影響,因此建壓過程較為緩慢。由于內(nèi)、外圓裝藥燃速差異,導致燃面推移變化,最終影響燃氣發(fā)生器燃燒室壓強。

        3.1 假設條件

        根據(jù)以上機理,仍用上述藥柱結(jié)構(gòu)建立燃速模型,推理單根管型藥柱燃面推移,從而預示燃燒室壓強。

        (a)推進劑燃速理論值為15 mm/s。

        (b)內(nèi)圓推進劑燃速在0.2 s建壓過程中,燃速從零逐漸增加到15 mm/s,外圓間隙處推進劑燃速從零增加到穩(wěn)定燃速的一半,即7.5 mm/s。

        (c)建壓完畢后,外圓燃速持續(xù)增加,直至達到穩(wěn)定燃速。

        3.2 燃面和壓強變化

        理論模型不考慮建壓過程,管狀型藥柱(前后端面限燃)燃面恒定不變,因此燃面和壓強沒有變化。由于內(nèi)、外圓燃速差異導致內(nèi)、外圓燃面推移發(fā)生變化,在建壓過程中,外圓燃速偏低,燃面變化小導致流量偏?。唤▔和瓿珊?,外圓仍然提升燃速,直到某時刻達到穩(wěn)態(tài)燃燒,相比理論設計,總?cè)济娉手鸩郊哟筅厔?,如圖6所示。

        理論燃速15 mm/s,工作時間1.7 s,燃燒室平均壓強9.86 MPa。由于內(nèi)外圓燃速不一致,實際壓強達到平衡后,逐漸升高,根據(jù)假設條件的設置,最大壓強達到11 MPa,如圖7所示。

        以下是某燃氣發(fā)生器理論與實際壓強對比,如圖8所示。由此可見,管狀藥柱在實際燃燒過程中,內(nèi)外孔燃面燃速不一致,導致壓強呈現(xiàn)逐步抬升趨勢。設計平衡壓強9.1 MPa,而實際壓強逐漸上升到最大壓強10 MPa。

        4 結(jié)論

        常規(guī)燃氣發(fā)生器通常采用自由裝填管狀藥柱,在實際研制過程中,由于制造工藝經(jīng)常出現(xiàn)燃氣發(fā)生器內(nèi)彈道與理論差異較大,特別是有前后包覆結(jié)構(gòu)的管狀藥柱,限燃層的脫落導致燃面發(fā)生較大的變化,隨之會對燃氣發(fā)生器的性能產(chǎn)生不利影響。因此必須嚴格控制限燃層的包覆要求,杜絕限燃層在工作過程中脫落現(xiàn)象。另外,從設計角度來看,嚴格設計和控制自由裝填式管狀藥柱的內(nèi)圓、外圓自由空間,否則會嚴重影響內(nèi)、外圓推進劑表面燃速一致性,導致壓強逐漸抬升的現(xiàn)象。

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