固體火箭發(fā)動機(jī)尾焰注水流場實(shí)驗(yàn)研究*

姜 毅,周 帆,張學(xué)文

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

0 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡便、可靠性高、反應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)成為戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭等的主要推力裝置,其尾焰是高溫高速的燃?xì)馍淞?容易對發(fā)射環(huán)境產(chǎn)生破壞效應(yīng),尤其是其高溫產(chǎn)生的熱沖擊燒蝕效應(yīng),成為破壞火箭導(dǎo)彈發(fā)射裝置的主要因素。為了延長發(fā)射裝置的使用壽命,降低維護(hù)成本,迫切需要一種成本低廉、操作簡單的方式來降低發(fā)動機(jī)尾焰燃?xì)獾臏囟?。而通過注水方式來降低尾焰溫度,減弱熱沖擊燒蝕效應(yīng)已經(jīng)在歐洲[1]、美國[2]的大型發(fā)射場得到應(yīng)用。文中通過實(shí)驗(yàn)方法對固體火箭發(fā)動機(jī)尾焰的注水效果進(jìn)行了研究,旨在得出注水對高溫高速燃?xì)馍淞髁鲌鲂螒B(tài)的影響以及降溫效果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)用發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)

圖3 實(shí)驗(yàn)用固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室壓力變化曲線

由于火箭導(dǎo)彈尾焰多為高溫高馬赫數(shù)的燃?xì)馍淞?為使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對此類問題具有代表性,故設(shè)計(jì)出口馬赫數(shù)為3.5左右,出口溫度在2000K左右。為滿足出口條件,由一維等熵流的基本公式及藥柱燃燒特性設(shè)計(jì)出如圖1、圖2所示的固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱和發(fā)動機(jī)殼體,噴管采用拉瓦爾噴管。該發(fā)動機(jī)燃燒室總溫為3000K,總壓為7MPa。燃燒室的壓力(見圖3)和溫度都保持恒定,很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)

一般的發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)都是臥式實(shí)驗(yàn),臥式實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢在于實(shí)驗(yàn)方便安全,便于布置。考慮到注水的流量較大,所受到的重力影響較大,為保證對稱性 實(shí)驗(yàn)采用立式實(shí)驗(yàn)方式,這樣就能夠把重力在主流垂直方向上的影響給排除掉,使得測量結(jié)果更加精確,并且便于高速攝影對實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行拍攝。

立式實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)臺架的高度。由于實(shí)驗(yàn)臺架過高容易造成整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,造成安全隱患;而高度不夠又會導(dǎo)致射流核心區(qū)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能夠觀測完全。所以必須在滿足實(shí)驗(yàn)觀測要求的情況下使得實(shí)驗(yàn)臺架高度最小。實(shí)驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)參照了射流核心區(qū)的長度估算公式,根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的公式:

估計(jì)了核心區(qū)長度。其中,x0表示核心區(qū)長度,de表示發(fā)動機(jī)噴嘴出口直徑,Mae表示發(fā)動機(jī)出口馬赫數(shù)。將設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Mae=3.5代入式(1)中計(jì)算得出核心區(qū)長度考慮到發(fā)動機(jī)噴管會從發(fā)動機(jī)安裝板往下伸出一段并且留有一定余量,最終設(shè)計(jì)上下兩板之間的距離為h=25de,如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置布置圖

1.3 注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證在發(fā)動機(jī)工作過程中注水水壓恒定,實(shí)驗(yàn)采用水泵供水的方式進(jìn)行供水。注水系統(tǒng)組成及安裝位置如圖4所示。為了能夠清楚的拍攝注水射流與高溫燃?xì)庵髁鲹交斓暮暧^現(xiàn)象,特別采用兩側(cè)注水的方式,注水方向與水平方向的夾角α=2β,β為噴管的擴(kuò)張半角。為了保證發(fā)動機(jī)燃?xì)馍淞鞯牧鲌瞿軌蛐纬?根據(jù)無注水狀態(tài)下所測得的圖像將兩個(gè)注水噴嘴的水射流交匯點(diǎn)定在第一個(gè)間斷面和第二個(gè)間斷面之間。該交匯點(diǎn)距離發(fā)動機(jī)噴嘴出口中心的距離 xw=7de。為了在相同水流量下使得水流的動壓較大,將兩個(gè)注水噴嘴均設(shè)計(jì)為直柱形噴嘴,口徑相同,且dw=0.16de。兩個(gè)噴嘴注水質(zhì)量流率之和qw=2.4qg,qg為發(fā)動機(jī)燃?xì)赓|(zhì)量流率。

1.4 測試設(shè)備說明

實(shí)驗(yàn)用主要測試設(shè)備包括高速攝影一臺,紅外熱像儀一臺,這兩者都是非接觸式測量設(shè)備,不會對流型產(chǎn)生影響。

高速攝影采用的是美國生產(chǎn)的Phantom系列V10型號。實(shí)驗(yàn)中為了更清楚地看清流型的細(xì)節(jié),選擇最大分辨率2400×1800,采樣率設(shè)為480幅/s。值得一提的是在實(shí)驗(yàn)中采用了“EDR”——極限動態(tài)范圍曝光控制,這是目前非常先進(jìn)的二次曝光技術(shù),正是由于運(yùn)用了該項(xiàng)技術(shù)才很好的捕捉到了實(shí)驗(yàn)流場中清晰的波系結(jié)構(gòu)。

紅外熱像儀使用的是日產(chǎn) TVS2000,響應(yīng)波長范圍35.4μ m,采集速度30幅熱圖每秒,分辨率為0.1℃。該熱像儀多次應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃?xì)馍淞鞯臏囟葓鰷y試,文獻(xiàn)[4]中根據(jù)以往標(biāo)定得到的數(shù)值來設(shè)定實(shí)驗(yàn)中燃?xì)獾妮椛湎禂?shù)。根據(jù)紅外熱像儀的測溫原理,對不同的物質(zhì)應(yīng)該采用不同的輻射系數(shù),而一次實(shí)驗(yàn)中只能設(shè)定一個(gè)輻射系數(shù),所以在所拍攝注水流場的紅外熱像圖中只有無水霧分布的區(qū)域溫度場分布是有效數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)使用高速攝影和紅外熱像儀分別對無注水自由射流和兩側(cè)注水兩種不同狀態(tài)下的流場進(jìn)行了對比拍攝。由于水射流與高溫高速燃?xì)庵髁髦g的相互作用是高度非定常的[5],故無法給出一個(gè)注水與燃?xì)庾饔玫亩ǔＡ鲌鰣D。文中從高速攝影和紅外熱像儀所拍攝的一系列時(shí)間序列圖片中選取了最具有代表性的幾張圖片來進(jìn)行分析。

2.1 流型分析

無注水和注水兩種狀態(tài)下流場波系結(jié)構(gòu)及流場形態(tài)主要通過高速攝影測得的圖像來反映,分別見圖5、圖6。固體火箭發(fā)動機(jī)噴管出口、水管出口、底板、間斷面、核心區(qū)頂點(diǎn)等位置均標(biāo)于圖上。

無注水自由射流狀態(tài)下發(fā)動機(jī)射流核心區(qū)長度與估算結(jié)果大概一致,一共有5個(gè)波節(jié)清晰可見(桶形)(見圖5)。該流型比較穩(wěn)定,波系結(jié)構(gòu)變化不大,只在接近底板處流場由于沖擊效應(yīng)出現(xiàn)震蕩。該狀態(tài)下燃?xì)馍淞鞯牡谝弧⒍€(gè)間斷面的位置都基本穩(wěn)定,其中 x1=2.1de,x2=4.9de。

而兩側(cè)注水狀態(tài)下高溫燃?xì)庵髁鞯牟ü?jié)只有兩個(gè)清晰可見(見圖6)。第一個(gè)間斷面位置與無注水狀態(tài)下保持一致,基本穩(wěn)定在 x′1=2.1de;第二個(gè)間斷面由于受到注水影響,在 x′2=4.7～5.1de之間變化。燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)被壓縮成一個(gè)等腰三角形的區(qū)域,由于非定常現(xiàn)象十分明顯,該三角形區(qū)域的頂角并不固定,在0.5β～β之間發(fā)生劇烈變化;與之相對應(yīng)的核心區(qū)長度也出現(xiàn)了較大范圍的變動:x′=7.4～10de。

2.2 流場溫度分布分析

無注水和注水兩種狀態(tài)下流場的溫度宏觀分布主要通過紅外熱像儀測得的圖像來反映,分別見圖7、圖 8。

圖7 無注水狀態(tài)流場紅外熱像儀圖

在無注水狀態(tài)下可以清楚看到高溫燃?xì)馍淞鞯倪吔缫约案邷睾诵膮^(qū)的分布。從圖7中左半部分可以得出燃?xì)馍淞鞯膴A角大概為β～1.5β,其中高溫區(qū)域的分布與高速攝影圖像中發(fā)光區(qū)域的分布大致一致。

圖8 注水狀態(tài)流場紅外熱像儀圖

從圖8中可以清楚的看到注水后高溫區(qū)域的范圍縮小到只有一個(gè)三角形,其形狀和大小與高速攝影所拍攝到的流場形態(tài)是比較接近的。在注水狀態(tài)下,從核心區(qū)往下整個(gè)流場都被水霧所籠罩,根據(jù)紅外熱像儀的成像原理,無法正確顯示出水相的溫度,因此只能對核心區(qū)頂點(diǎn)以上的圖像進(jìn)行分析。根據(jù)紅外數(shù)據(jù)測得燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)三角形區(qū)域的頂角為0.7β～0.9β,核心區(qū)長度為x′=8.3～9.5de(由于紅外熱像儀的采樣率遠(yuǎn)低于高速攝影,故所得到的數(shù)據(jù)變化范圍都小于高速攝影的數(shù)據(jù))。由于受到水流的擠壓和汽化吸熱作用,核心區(qū)末端附近的溫度已經(jīng)下降到1000℃以下,這是從紅外熱像儀的所測得的具體數(shù)據(jù)中分析得到的。

2.3 注水效果分析

對高速攝影和紅外熱像儀所拍攝的圖片進(jìn)行綜合分析可以得知:在實(shí)驗(yàn)的注水條件下,水射流并沒有完全進(jìn)入燃?xì)庵髁?在接觸到燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)外邊界時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了劇烈的摻混和汽化,致使整個(gè)實(shí)驗(yàn)流場都被水霧所充斥。由此可以看出在實(shí)驗(yàn)的注水條件下,注水射流可以依靠自身的動壓進(jìn)入燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū),并且通過摻混和汽化作用減少燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)長度和核心區(qū)面積。

3 結(jié)論

1)在實(shí)驗(yàn)注水條件下,水射流將燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)壓縮成一個(gè)頂角在0.5β～β之間變化的等腰三角形區(qū)域,核心區(qū)長度也由原來的18.73變?yōu)?x′=7.4～10de。

2)在實(shí)驗(yàn)注水條件下,水射流并沒有完全進(jìn)入燃?xì)庵髁?在接觸到燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)外邊界時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了劇烈的摻混和汽化。

3)由于核心區(qū)溫度在整個(gè)射流區(qū)域中最高,因此核心區(qū)的長度和面積往往能決定熱沖擊燒蝕作用的大小。在實(shí)驗(yàn)注水條件下,有效的減少了核心區(qū)長度和核心區(qū)面積,從而達(dá)到降溫和減弱熱沖擊燒蝕作用的目的。

4)通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)燃?xì)馍淞鞯淖⑺鲌鍪且粋€(gè)非定?，F(xiàn)象十分明顯的多相流場,其流型和形成機(jī)理比較復(fù)雜,需要通過多種方式進(jìn)行進(jìn)一步研究和深入探討。

[1]Giordan P,P Fleury,L Guidon.Simulation of water injection into a rocket motor plume,AIAA99-31280[R].1999.

[2]Wolff H,L T Barnes.Survey of special areas of rocket testing,AIAA65-476[R].1965.

[3]張福祥.火箭燃?xì)馍淞鲃恿W(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2004.

[4]王宏,符彬,劉桂生,等.用熱像儀測試發(fā)動機(jī)燃?xì)饬鲌鰷囟萚J].固體火箭技術(shù),2003(2):65-67.

[5]Cho C S,A P Gerald.Effect of coolant injection to small-scale diffuser simulating SSM E testing conditions,AIAA2002-4282[R].2002.