固体火箭发动机冷增压试验与数值仿真*

2018-11-13王创歌贺赋铭许进升

弹箭与制导学报 2018年1期

王创歌,李昊,李辉,贺赋铭,许进升

(1 南京理工大学机械工程学院,南京 210094;2 西安现代控制技术研究所,西安 710065)

0 引言

固体火箭发动机点火过程是一个机理复杂的非定常瞬态响应过程,在数百毫秒内,燃烧室就会产生高温、高压、高速流动的火药燃气,有时还伴有超压、滞火、爆轰、燃烧振荡、断续燃烧和熄火等许多不规则现象[1]。这些不确定因素极易破坏自由装填药柱的结构完整性,使药柱因受力不均而产生形变或裂纹,影响发动机内流场分布及药柱的稳定燃烧,导致发动机无法正常工作,甚至引起发动机爆燃或者爆炸[2]。因此,固体火箭发动机点火增压过程中药柱结构完整性的分析和研究一直是一个重要课题。

在发动机真实点火的恶劣条件下,想要测量药柱的真实应变异常困难,而且存在很高的危险性和不确定性[3]。在冷增压技术被提出之前,对固体火箭发动机点火增压过程的研究一直是一个难题,国内外的研究人员多数只能采用数值仿真的方法进行研究[4-5]。冷增压技术被提出之后,国内的研究人员开始利用其进行固体火箭发动机点火过程的研究,也证明了冷气增压技术的安全性、可靠性[6]。但当前利用冷增压试验研究固体火箭发动机点火过程的人员还很少,而且研究方法很单一,大多只进行冷增压试验或者只进行数值仿真,没有将二者结合起来,相互对比。文中利用一套自主设计的冷增压试验系统来模拟固体火箭发动机的点火增压过程,同时利用Fluent对发动机的内流场进行流场仿真,利用ABAQUS对药柱应变进行仿真,将实验结果和仿真结果进行对比,相互验证。

1 冷增压试验

1.1 试验系统原理

国内外的相关研究表明,在点火瞬间,主要有两个方面的因素会导致药柱变形开裂,一是初始压力峰以及压力在药柱内表面的不均匀分布;二是温度对药柱的影响,但相对于流动的压力波及不均匀分布的压力对药柱形变的影响,温度的影响几乎可以忽略不计。

文中的冷增压试验装置就是不考虑点火过程中温度对药柱形变的影响,以高压氮气作为气体介质,通过闭锁器实现对发动机部分的快速增压来模拟固体火箭发动机的点火过程。试验过程中,发动机药柱所受压力通过压力传感器采集,经超动态应变仪放大后输入数据采集卡并显示在计算机软件中。

1.2 试验系统组成

试验系统按功能可分为四部分,分别是气源单元、快速增压单元、模拟发动机单元、测试单元。

气源单元由高压氮气罐和暂存式储气罐组成,为试验提供压力源,连接管上有压力表,可以分别观测氮气罐中压力值以及储气罐中压力状态。

快速增压单元由电动牵引杆和闭锁器组成。主要作用是实现对模拟发动机的快速增压。

模拟发动机单元由喷嘴、实验发动机、压力采集装置组成。喷嘴和实验发动机可根据研究需要进行更换。

测控单元由压力传感器、数据采集卡、超动态应变仪组成。压力传感器采集的数据经超动态应变仪放大后输入数据采集卡并显示在计算机软件中。

1.3 试验过程

1)准备工作。连接试验系统各单元,整体调试,并测试各连接处的密封性。调整闭锁器缸,使撞针退回到压缩状态,并安装厚度为0.2 mm的金属膜片。

2)充气过程。打开高压氮气罐阀门向暂存式储气罐充气,通过压力表观察内部压力情况,达到试验要求值后,关闭高压氮气罐阀门。

3)快速增压。控制电动推拉杆拉动顶螺栓,闭锁器弹起释放撞针,刺破膜片,高压气体冲入发动机内部。同时,测控单元采集数据。

4)结束泄压。试验结束后,泄压电磁阀打开,排出高压气体。

1.4 试验结果

模拟发动机结构如图2,为研究药柱内外两侧的受力情况,采用环向喷嘴对模拟固体火箭发动机进行试验。

如图2所示,发动机上有A、B、C、D、E5个测点。试验过程中,选A、B、C3点作为药柱在头部、中部、尾部3个位置的测点,先测量3点外压,在相同试验条件下再测量内压[7]。测量5次,结果取平均值,作为真实压力场分布结果,药柱为PE材料加工的模拟药柱。结果如图3～图7。

1.5 试验结果分析

1)从图3、图4可以看出,3个测点的压力在250 ms达到峰值且压力值高出稳定值8%～10%,分析可能是模拟发动机冷增压速度极快,形成激波,发动机内腔流场存在激波的重叠,形成压力峰,激波快速通过后,压力下降。

2)模拟发动机尾部被密封,整个试验系统内部可以看作密闭空间,所以3个测点的压力达到峰值之后开始下降并在350 ms以后趋于平稳。说明模拟发动机可以模拟真实的发动机从点火建压到压力稳定正常工作的过程。

3)从图5、图6、图7可以看出,同一时刻药柱内外两侧所受压力存在差异,且建压速度极快,可达20 MPa/s,说明在模拟火箭发动机建压过程中,药柱会受到不均匀的冲击载荷作用。如前文所述,点火过程中不均匀的压力分布是药柱变形开裂的主要原因,证明了本试验的合理性。

2 固体火箭发动机的流场仿真

2.1 流场仿真

使用Fluent对发动机冷增压试验进行流场仿真[8]。考虑到试验系统的对称性,仿真采用二维对称机构,边界采用绝热无滑移边界条件。如图8所示,计算初始化时,以金属薄片所在位置为准,将整个计算域分为两部分,储气罐区域为高压区,设定为5 MPa;发动机区域为低压区,设定为0.1 MPa。

2.2 仿真结果与试验结果对比

在用计算机进行流场仿真时,采用的是最理想的情况,即不考虑快速增压装置中的机械系统的延迟、撞针刺破膜片的时间、高压气流冲开膜片的时间等。故在将仿真结果与试验结果对比时,为更符合实际情况,综合考虑各种因素后将仿真时间放大10倍后与试验结果对比。结果分析如下:

1)对比仿真结果和试验结果,发现各点压力曲线的趋势一致,即都会产生压力峰,之后振荡趋于平稳,仿真结果和试验结果有了相互印证,说明冷增压试验可以用来模拟固体火箭发动机的点火过程。

2)试验和仿真的压力峰值相对误差在20%以内,其中的原因可能是试验中气流冲破膜片以及通过环形喷嘴时有一定的能量损失,而计算机仿真未将此因素计算在内。

3)将仿真时间放大10倍后,增压速度相差依然较大,可能有两方面原因,本试验系统的快速增压装置反应速度太慢,有一定的机械延迟;测试系统存在延迟,不能快速而准确地追踪压力的变化。

3 药柱点火增压过程中力学特性仿真

应用ABAQUS软件,对试验药柱进行数值仿真[9-10]。从试验药柱内腔采集的压力曲线可以看出,在同一时刻,内腔各点所受压力基本相同,药柱外表面也同样如此。故在仿真中将在冷增压试验中测得的0～0.5 s内药柱中部内、外侧压力数据作为载荷条件,加载于药柱内外表面;材料密度为970 kg/m3,泊松比为0.42,弹性模量为470 MPa;采用动态分析步计算;药柱网格全部采用六面体结构网格。

t=0.5 s时,冷气冲击试验中药柱所受压力基本保持不变。从药柱应变云图可以看出,压力稳定后药柱不同方向的应变集中位置不同。从图15、图16、图17看出,径向应变主要集中在药柱外侧大部分区域;环向应变集中于药柱内侧;对于轴向应变,由于药柱首尾都设有挡药板,仿真中设置有边界条件,轴向应变相对于径向、环向应变很小,且药柱中间部分的轴向应变高于首尾两端。

从图18、图19可以看出,各点的应变都在220～250 ms范围内达到最大,即冷气增压试验中压力峰到来的时刻,药柱应变达到最大。说明了固体火箭发动机点火建压过程产生的压力峰是影响药柱装药结构完整性的主要因素。在进行药柱结构设计和装药材料类型选择时,要考虑到点火过程中产生的压力峰对药柱结构完整性的影响。