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固体火箭发动机水下工作特性的研究

张有为  
【摘要】: 导弹水下发射具有机动性强、隐蔽性好、姿态稳定等优点,但导弹水下点火时产生的推力峰值可能会影响导弹的正常工作。为解决导弹水下点火推力峰值问题,本文采用数值方法进行了研究,包括四个方面的工作:通过计算研究推力峰值与发动机各参数间的关系、建立嵌金属丝端燃药柱燃烧模型、提出几种降低发动机水下点火时推力峰值的方案并进行计算研究、提出一种基于嵌金属丝药柱技术的发动机推力调节技术。 为了研究推力峰值与发动机各参数间的关系,在推导出发动机燃烧室燃气压力、燃气温度控制方程的基础上,结合球形气泡模型,对发动机在水下和空气中点火时的工作情况进行了对比,并计算研究了发动机水下点火时燃烧室气体压力、导弹所受推力以及燃气泡压力随喷管喉部截面积、燃面面积、燃烧室初始自由容积、水深、膨胀比、喷管尾盖打开压强以及燃气泡初始半径等参数的变化情况。计算发现,改变燃面面积和燃气泡初始半径对推力峰值的影响较大,而喷管喉部截面积、燃烧室初始自由容积、水深、膨胀比和喷管尾盖打开压强等参数的变化对推力峰值的影响较小。 由于球形气泡模型忽略了气体沿轴向的动量,会带来一定误差,本文又利用准一维模型计算研究了水下点火推力峰值与几个参数的关系,并与球形气泡模型得到的结果进行对比。准一维模型考虑了气体沿轴向的动量,对喷管—燃气泡流场采用准一维流动,对水流场采用势流理论并通过边界元方法求解。利用准一维模型计算研究了燃气泡初始体积、燃面面积、喷管尾盖打开压强、尾盖质量、发射深度对推力峰值的影响。计算结果表明,推力峰值随着燃气泡初始半径的增大而迅速降低,随燃面面积的减小而降低,与球形气泡模型得到的结果一致。 本文提出的解决水下点火推力峰值方案中,将用到嵌金属丝端燃药柱发动机。为计算嵌金属丝端燃药柱的水下点火工作过程,本文接下来建立了嵌金属丝端燃药柱燃烧模型。模型中对嵌金属丝采用一维传热方程,端燃药柱采用二维轴对称传热方程,燃气采用常微分控制方程。通过数值计算研究了嵌金属丝端燃药柱发动机的工作过程和金属丝热物性及其直径对沿金属丝燃速的影响,计算结果表明端燃药柱嵌入金属丝使药柱燃速增大、药柱燃面扩大,锥孔母线近似为一条直线。沿金属丝燃速随热扩散系数的增大而增大,随金属丝熔点的增大而增加,热扩散系数对沿金属丝燃速的影响最明显。计算表明对同种金属丝存在一个最佳金属丝直径,使沿金属丝燃速达到最大值。通过定义有效吸热率,研究了存在最佳金属丝直径的原因。 减小和消除发动机水下点火时的推力峰值问题具有重要的实际工程意义。根据前面的计算结果,本文提出了两种降低发动机水下点火时推力峰值的方法,并做了计算分析。方法一是利用嵌金属丝端燃药柱发动机点火初期药柱燃面积较小的特点减小水下点火时的推力峰值。对嵌金属丝端燃药柱发动机水下点火工作过程的计算发现,其水下点火初期的推力峰值小于稳定工作推力。方法二是通过增大点火前的气泡初始半径降低点火时的推力峰值,并提出了两种实施方案:第一种方案是在燃烧室内预充入一定量气体,第二种方案是内置气源。对第一种方案计算研究了充入不同种类气体、不同压力、不同水深等情况时的工作状况。本文还计算研究了导弹(或运载器)尾部形状对推力峰值的影响,对圆柱形、圆锥形和椭球形等不同尾部形状受力情况的计算结果表明,通过对尾部形状进行一定的型面设计,可有效降低推力峰值。 最后提出了一种通过对嵌金属丝进行改造来调节发动机机推力的方案,并分析了此方案的可行性。计算结果表明,通过在金属丝吸热部分加入负热流密度来调节推力大小的方案是可行的,在一定范围内可以通过改变负热流密度的大小来改变推力和燃烧室压力。由于热惯性的影响,从开始加入负热流密度到燃烧室工作压力重新稳定有一段滞后时间。方案的优点是控制系统结构简单,控制箱不需工作在高温条件下。


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