燃气舵烧蚀地面模拟实验设计与计算

郑兴宇

燃气舵一般安装在发动机喷管的后面，通过舵面的作动使得羽流偏转产生侧向力来达到发动机推力矢量控制的目的。但燃气舵在发动机工作时，长时间暴露在高温高速燃气流中，工作环境十分恶劣，不仅要承受很大的热负载，而且还要和燃气发生化学发应，造成舵面的烧蚀，如果燃气流中含有凝相颗粒，舵面还要经受机械冲蚀的考验。

本文设计实验首先针对指定燃气舵开展舵面温度场分布、内部温度和热应力分布、体积烧蚀等数值计算，再对燃气舵烧蚀进行实验模拟。根据计算结果与实验结果的综合分析，对燃气舵烧蚀情况进行客观准确的评估，并对燃气舵的热结构防护提出改进意见。

1 烧蚀试验发动机初步设计

烧蚀试验发动机设计的依据主要是对发动机出口截面的燃气参数提出了要求，现将具体参数假设见表1所示。

表1 出口截面参数要求

2 烧蚀试验发动机技术方案

2.1 烧蚀试验发动机研制的指导思想

设计中尽可能采用已有的成熟技术或具有预研基础的技术，在满足产品使用功能、保证设计质量，实现设计方案的前提下，选用结构简单、生产成本低的技术途径。并在发动机外形结构和装药结构上，参照同类型发动机结构和我国现有的成熟的推进剂配方，提出切实可行的技术方案。

2.2 烧蚀试验发动机总体方案选择

1）根据系统总体对发动机提出的技术要求，决定采用端面燃烧的装药结构；

2）由于烧蚀试验发动机是多次使用的发动机，故采用厚壁结构，且采用装配简单可靠的法兰连接结构；

3）发动机由点火装置、燃烧室、装药和喷管等零、部、组件组成，燃气舵试验件与喷管壳体法兰连接；

4）燃烧室壳体采用优质合金钢30CrMnSiA机加而成；

5）喷管和燃烧室内表面均有绝热层；

6）使用常用的三组元丁羟复合推进剂作为燃烧室装药。其出口截面的燃气参数“平均分子量”、“气体常数”和“凝相含量”由推进剂配方决定，“压强”、“温度”、“密度”和“速度”等由发动机总体参数决定。

3 烧蚀试验发动机设计计算

3.1 烧蚀试验发动机总体设计

发动机总体设计主要包括确定发动机结构、选择壳体材料、选择推进剂和确定主要设计参量（燃烧室外径、燃烧室压强、膨胀比和喷管喉部直径）。

3.1.1 壳体材料选择

燃烧室壳体、喷管材料均采用30CrMnSiA合金钢，该材料来源丰富，价格便宜，性能稳定，它的最大优点是不含我国稀有合金元素-镍，而它的机械性能与铬镍钼钢相近，其短时高温性能、成形性能和焊接性能均良好。是我国目前固体火箭发动机主要用材之一。广泛应用于中小型发动机上。

4 数值模拟验证

基于燃气舵发动机流动特性，选用FLUENT中k-ε湍流模型对实验方案进行数值模拟，分析燃气舵在工作时内流场分布。通过计算结果对内部产生能量损失和烧蚀的原因与位置进行分析，有助于优化燃气舵设计改进。

在未安装燃气舵前，燃气舵前端面所在位置喷管截面参数为：平均温度2720K，出口平均静压0.5MPa，出口平均速度2210m/s。基本符合设计要求。燃气舵前端面气流停滞，烧蚀最为严重。

综上可知，通过合理的设计实验模拟火箭发动机，完全能够模拟规定工况，对燃气舵在不同工作状态下的烧蚀情况进行模拟实验。

[责任编辑：杨玉洁]