粒子冲刷条件下固体推进剂燃烧特性试验研究

【摘要】：导弹在起飞和强机动过程中会产生较高的过载，对于采用含金属推进剂的发动机来说，这将改变发动机内凝相粒子的运动规律，引起凝相粒子在发动机内局部高度聚集并形成高浓度粒子流，从而影响发动机的工作性能。在过载条件下，高浓度粒子流可能在推进剂燃烧表面聚集、结团，进而影响固体推进剂的燃烧规律。本文对粒子冲刷条件下固体推进剂的燃速特性进行了研究，开展了不同颗粒浓度和冲刷速度条件下多种固体推进剂的燃烧试验，分析了粒子浓度、粒子速度、气相冲刷速度等因素对推进剂燃速的影响，揭示了冲刷条件下推进剂燃速变化规律，为燃烧模型的建立提供了试验依据。主要研究内容和结论如下： 1、基于X射线实时荧屏分析技术(RTR)，设计了固体推进剂燃面退移过程的动态测量试验装置。该试验装置可对粒子浓度、冲刷速度以及气相速度等参数进行调节。 2、对设计的试验器进行了三维数值模拟，获得了不同冲刷角度和调节件直径下粒子的冲刷速度、浓度和气相速度，为试验结果的分析提供了依据，也对设计的试验器进行了验证。 3、对丁羟和NEPE两种固体推进剂开展了不同冲刷条件下的试验研究，获得了冲刷条件下推进剂燃面的动态变化过程图像，应用图像处理技术，获得了推进剂试件不同位置的平均燃速。与无冲刷的静态燃速相比，冲刷条件下两种推进剂的燃速均有不同程度的增大。丁羟推进剂比NEPE对粒子冲刷更敏感。 4、试验结果表明，冲刷条件下导致推进剂燃速大幅度增加的主要因素是粒子的冲刷速度；在基本相同的气相速度下，纯气相冲刷也能使燃速增大，但增加幅度小于含粒子的冲刷；而粒子浓度对燃速的影响不大。粒子速度对燃速的影响存在明显的界限效应，粒子冲刷速度低于21m／s时，粒子冲刷不会对推进剂燃速产生显著影响。 5、运用人工神经网络技术建立了粒子冲刷条件下的固体推进剂燃烧模型，校验结果表明模型预示值与试验值的相对误差小于4％，验证了模型的准确性。采用建立的燃烧模型研究了粒子速度和气相速度对燃速的影响，得到了与试验结果相一致的结论。 研究结果将为高过载固体发动机的设计和工作安全性评估提供基础数据。