缩短短时间工作发动机点火时间方法*

王立武, 赵 昆, 冯晓柏, 刘 沛, 林志远

(中国航天科技集团第四研究院第41研究所, 西安 710025)

缩短短时间工作发动机点火时间方法*

王立武, 赵 昆, 冯晓柏, 刘 沛, 林志远

(中国航天科技集团第四研究院第41研究所, 西安 710025)

为了获得缩短短时间工作固体发动机点火时间的方法,建立了短时间工作发动机点火过程瞬态模型,确定了影响发动机点火时间的关键因素。采用理论分析和试验验证相结合的方法,分析了燃烧室装药结构对点火时间的影响。结果表明,通过合理设计燃烧室装药结构,缩短推进剂燃烧阶段的时间,可以有效缩短短时间工作发动机的点火时间。

装药结构;短时间工作;固体发动机;点火时间

0 引言

在导弹的级间分离环节,为提高分离可靠性,广泛采用短时间、大推力小型固体火箭发动机为分离提供动力[1]。导弹总体对此类发动机点火时间及点火时间同步性提出了苛刻的要求,一般要求同锅装药同温条件下发动机点火时间为几十毫秒,不同发动机的点火时间相差仅几毫秒。因此,如何更好更有效缩短此类发动机的点火时间是亟待解决的问题。

短时间工作固体发动机的点火时间指从点火器接受爆轰开始计算,到发动机推力达到80%平均推力的时间间隔。发动机的点火过程十分复杂,影响点火时间的因素较多,目前没有针对短时间工作发动机点火过程的专门研究。

文中采用理论分析与试验验证相结合的方法,建立了短时间工作发动机点火过程瞬态模型,确定了影响发动机点火时间的关键因素,获得了缩短发动机点火时间的有效途径。

1 发动机点火瞬态模型

1.1 短时间工作发动机点火过程分析

短时间工作发动机的推力-时间和压强-时间曲线见图1,在发动机点火过程中,工作压强经历一个初始压强峰值后下降,随后压强不断上升。第一个压强峰是点火器燃气进入燃烧室引起的,随后的压强上升是推进剂开始燃烧导致的。此外,第一个压强峰值后的某一时刻,发动机推力从零开始上升,表明喷管堵盖已经打开,t0时刻即是堵盖打开时间。

短时间工作发动机的点火过程见图2,可以分为4个阶段:点火延迟阶段,点火器发火阶段,点火器点火阶段,推进剂燃烧阶段。1)点火延迟阶段:从点火器接受爆轰开始至点火器开始发火(0～ty);2)点火器发火阶段:从点火器发火开始至点火器工作结束(ty～tg);3)点火器点火阶段:从点火器发火结束至燃烧室装药开始燃烧(tg～tx);4)推进剂燃烧阶段:从燃烧室装药开始燃烧至发动机推力达到80%平均推力(tx～t)。

1.2 发动机点火瞬态模型推导

短时间工作固体发动机的点火过程,发动机系统内部的燃气遵循质量守恒定律[2-3]。加入燃烧室通道的燃气质量有两个来源:一个是点火器产生的点火燃气质量;另一个是燃烧室装药燃烧所产生的燃气质量。得质量守恒方程为:

(1)

文中试验均采用药包式点火器,认为点火药气体质量速率是时间的函数,即:

(2)

燃烧室装药的气体质量生成率为:

(3)

式中:ρp为推进剂的密度;fb(t)为已点燃推进剂的面积;r为推进剂的平均燃速。

喷管出口燃气流出的质量速率可以用式(4)表示[4-7]:

(4)

式中:P0为堵盖打开压强;Pc为工作压强;At为喷管喉部面积;C*为特征速度。

(5)

式中:ρc为燃烧室内气体密度;Vc为燃烧室的自由容积。

在小型固体发动机的点火过程中,可以认为初始容积Vc不变,燃烧产生的气体符合理想气体状态方程P=ρRT[8],则有:

(6)

将式(2)～式(6)代入式(1),再从0到t对时间积分,得到发动机点火瞬态模型:

(7)

1.3 缩短发动机点火时间的方法分析

然而,过度减少自由容积将导致燃烧室通气参量设计不合理,堵盖打开压强过高会导致点火瞬间发动机工作压强飙升,刻意减少喷管喉径将导致发动机工作压强增大,增大点火药量会导致点火瞬间发动机初始压强过高。因此,降低点火时间最可取的方法就是从燃烧室装药着手,优化燃烧室装药结构设计,从而有效缩短发动机的点火时间。

燃烧室装药结构与点火器燃气和推进剂表面的换热情况密切相关,直接影响点火器点火阶段和推进剂燃烧阶段。因此,从燃烧室装药结构设计着手缩短点火时间,就是对燃烧室装药结构进行优化设计,通过提高点火器燃气与推进剂之间的换热效果,缩短点火器点火阶段和推进剂燃烧阶段的时间,从而有效缩短发动机的点火时间。

2 试验设计及试验结果分析

2.1 不同装药结构试验设计

设计了两种不同装药结构的发动机,用来研究通过燃烧室装药结构优化设计缩短固体发动机点火时间的可行性。燃烧室装药结构分别为翼柱形和套管形,发动机编号分别为1#、2#、3#、4#,共4台发动机,每种药形结构各2台发动机。

翼柱形装药为“后翼+内孔”,套管形装药为“内外管形”,见图3。与“后翼+内孔”装药结构相比,文中“内外管形”装药结构在点火过程中推进剂与点火器燃气之间的换热效果更好,若上述理论分析正确,则“内外管形”装药结构发动机的点火时间更短。

为了排除其它因素对点火时间的影响,两种发动机燃烧室装药均选择丁羟三组元推进剂;燃烧室自由容积Vc基本相同;点火器均采用药包式点火器,点火器的点火药量相同,点火器均安装在发动机头部,试验过程中均采用单路点火。

2.2 试验结果及分析

针对上述4台不同装药结构的发动机进行了点火试验,试验过程中使用数据采集系统采集工作压强和推力随时间的变化,试验结果见表1。可以看出,1#和2#发动机点火时间分别为19.2 ms和23.2 ms,平均点火时间21.2 ms;3#和4#发动机点火时间分别为13 ms和13.5 ms,平均点火时间13.25 ms,与“内外管形”装药结构发动机的点火时间相比,“后翼+内孔”装药结构发动机的平均点火时间缩短7.95 ms,缩短了37.5%。

试验结果还表明,两种发动机点火延迟阶段的时间基本相同(约1 ms),点火器发火阶段的时间基本相同(约0.5 ms),但是两种发动机点火器点火阶段和推进剂燃烧阶段的时间差别较大,这也是导致两种装药结构发动机点火时间相差较大的原因。同时可以看出,对发动机点火时间起主导作用的是点火器点火阶段和推进剂燃烧阶段。

因此,燃烧室装药结构是影响短时间工作固体发动机点火时间的主因之一,通过合理设计燃烧室装药结构,改善点火器燃气与推进剂之间的换热效果,缩短点火器点火阶段和推进剂燃烧阶段的时间,可以有效缩短短时间工作固体发动机的点火时间。

表1 不同装药结构燃烧室的点火时间

3 结论

通过文中的理论分析和试验验证,可以得出以下结论:

1)短时间工作发动机的点火过程可以分为4个阶段:点火延迟阶段,点火器发火阶段,点火器点火阶段,推进剂燃烧阶段。

2)建立了短时间工作固体发动机点火过程的瞬态模型,确定了影响发动机点火时间的关键因素。

3)燃烧室装药结构是影响固体发动机点火时间的主因之一,通过合理设计燃烧室装药结构,缩短点火器点火阶段和推进剂燃烧阶段的时间,可以有效缩短短时间工作固体发动机的点火时间。

[1] 郭凤美, 余梦伦. 导弹分离设计技术研究 [J]. 导弹与航天运载技术, 2014, 330(1): 5-10.

[2] 林建忠, 阮晓东, 陈邦国, 等. 流体力学 [M]. 2版. 北京: 清华大学出版社, 2013: 37-40.

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MethodforShorteningtheIgnitionTimeofShortTimeWorkingEngine

WANG Liwu, ZHAO Kun, FENG Xiaobai, LIU Pei, LIN Zhiyuan

(The 41st Institute of the Fourth Academy, CASC, Xi’an 710025, China)

In order to obtain the method for shortening the ignition time of short time working engine, a transient model for the ignition of a short time working engine was established, and the critical factors affecting engine ignition time were confirmed. The effect of combustion loading structure on igniting time was analysized by combining theoretical analysis with experimental verification. The results showed that through reasonable design of combustion chamber loading structure, the time of propellant combustion was shortened, which could effectively shorten the ignition time of short time working engine.

loading structure; short time working; solid rocket motor; ignition time

V435

A

2016-09-05

王立武(1989-),男,辽宁葫芦岛人,硕士,研究方向:固体火箭发动机设计与研究。