过载下丁羟推进剂压强耦合响应试验研究

2019-07-31夏长青南宝江王增辉党文博

固体火箭技术 2019年3期

夏长青，南宝江，王增辉，党文博

(中国航天科技集团有限公司四院四十一所，固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室，西安 710025)

0 引言

T型燃烧器通常用于进行固体复合推进剂压强耦合响应试验研究，其是一根两端封闭、中间开口的圆管，其与推进剂组成自激声振荡系统。推进剂处于压力波腹位置，能够最大限度地提供声能增益；中心排气孔处于基波和奇次谐波的压力波节上，声能损失减小，所以T型燃烧器很容易发生不稳定燃烧。然而，当固体复合推进剂含有大量铝粉时，高温燃气中Al2O3微粒对声振荡有相当大的阻尼作用，此时需采用“变燃面”或“脉冲”T型燃烧器才可产生不稳定燃烧。

文献[1-4]详细介绍了T型燃烧器压强耦合响应试验研究的理论。Jerry C Frinlinson等[5-7]对T型燃烧器测试系统进行了改进，应用磁流体动力技术测试振荡条件下T型燃烧室流场，开展了固体复合推进剂燃料组分AP、HMX、RDX的压强耦合响应特性研究。刘佩进等[8]基于静止T型燃烧器双脉冲外部激励的方法，对两种含铝HTPB复合固体推进剂开展了试验研究，分析比较其压强耦合响应特性的差异，获得了两种推进剂在T型燃烧器中的衰减常数和燃面增益常数。

本文T型燃烧器采用杯状增燃面药柱及两次脉冲激励方法，通过旋转过载试验台模拟药柱所受轴向过载，建立了地面模拟轴向过载下推进剂的压强耦合试验方法，开展过载条件下固体推进剂的燃烧增益对固体发动机燃烧稳定性试验研究。

1 试验系统及原理

T型燃烧器旋转过载试验系统(图1)由旋转过载试验台、T型燃烧器、脉冲触发器、点火时序控制装置和高频数据采集系统等组成。T形燃烧器安装在旋转过载试验台上，喷管中心与旋转过载试验台旋转中心同心。数据采集系统集成在旋转过载台上。

图1 T型燃烧器旋转过载试验系统

地面模拟轴向过载下推进剂的压强耦合试验方法通过旋转过载台旋转模拟过载条件，T型燃烧器在规定的旋转速度下工作，此时药柱轴向加速度为ω2R，其中，ω为旋转过载台旋转角速度；R为药柱端面距喷管中心线距离。

在T型燃烧器燃烧时间内，燃面增益和各种阻尼都存在，点燃脉冲触发器1点火药可获得压强增长常数；在药柱肉厚燃烧完时刻，只有阻尼而无燃面增益，点燃脉冲触发器2点火药可以获得压强衰减常数。压强增长常数减去压强衰减常数就可获取燃面增益常数，进而可获取固体推进剂在过载下的压强响应函数。

固体推进剂的压强响应函数：

2 试验方案及结果分析

2.1 试验方案

试验T型燃烧器长2300 mm，内径90 mm。药柱是杯状药柱，燃面为增面燃面，药柱肉厚15 mm。脉冲器内最高压强约40 MPa。药柱点火黑火药药量160 g，脉冲触发器黑火药药量10 g。

开展了丁羟推进剂在0g、5g、15g轴向载荷下的T型燃烧器试验。轴向载荷5g时，旋转过载试验台转速为62.4 rpm；轴向载荷15g时，旋转过载试验台转速为108 rpm。3次试验环境温度为12 ℃，喉径6.80 mm，脉冲触发器1激励时刻为0.8 s，脉冲触发器2激励时刻为1.8 s，具体见表1。

表1 T型燃烧器试验状态

试验过程中，首先启动高频数据采集系统，然后启动旋转过载试验台，使药柱所受载荷达到规定值并且旋转过载试车台转速稳定时，通过远距离点火时序控制装置控制点火药包同时点燃T型燃烧器两端的药柱，然后依照时序点燃两个脉冲触发器里的黑火药包。

2.2 结果分析

图2为3次T型燃烧室试验压强曲线，3次试验脉冲触发器1均在0.8 s激发，脉冲触发器2均在1.8 s激发，且工作正常，脉冲触发器1和脉冲触发器2压强振荡曲线衰减时间大约0.1～0.2 s。试验后，0g、5g、15g过载试验燃烧室平均压强分别为11.61、10.88、10.09 MPa，压强冲量分别为30.1、28.8、25.6 MPa·s，药柱所受轴向载荷增大，燃烧室压强降低。3次试验后平均喉径分别为6.83、6.83、6.82 mm，喉径变化不是引起燃烧室压强变化的主要原因。

图2 T型燃烧室压强曲线

图3为不同过载下包覆药柱残渣。表2为不同过载下包覆药柱残渣质量。

状态净药量/g残渣质量/g残渣含量率/%0g3353.515g33521.86.515g33536.510.9

静止状态下包覆套筒结构完整，未发现燃烧残渣烧结聚集于包覆套筒壁面，残渣质量约3.5 g；5g轴向过载下，包覆套筒侧壁面完全烧蚀，底面局部凝相残渣聚集，残渣质量约21.8 g；15g轴向过载下，包覆套筒侧壁面完全烧蚀，底面大面积凝相残渣聚集，残渣质量约36.5 g。分析认为：药柱所受轴向过载增大时，凝相粒子在离心力作用下，在T型燃烧室两端聚集，使得铝粉未充分燃烧，导致推进剂能量未完全释放。表3为T型燃烧器试验数据分析结果。

表3 T型燃烧器试验数据分析结果

图4为T型燃烧器0g、5g、15g轴向过载压强振荡曲线。图5为T型燃烧器0g、5g、15g轴向过载压强振荡FFT分析，压强振荡主要是以一阶轴向振荡模态为主,其一阶频率分别为189.8、192.3、190 Hz。试验过载垂直并指向于药柱表面，随着轴向过载的增加，燃气中凝相粒子总量减小，燃面增益常数减小，从而造成系统阻尼效果减弱。