過載下丁羥推進(jìn)劑壓強(qiáng)耦合響應(yīng)試驗(yàn)研究

夏長(zhǎng)青，南寶江，王增輝，黨文博

(中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

T型燃燒器通常用于進(jìn)行固體復(fù)合推進(jìn)劑壓強(qiáng)耦合響應(yīng)試驗(yàn)研究，其是一根兩端封閉、中間開口的圓管，其與推進(jìn)劑組成自激聲振蕩系統(tǒng)。推進(jìn)劑處于壓力波腹位置，能夠最大限度地提供聲能增益；中心排氣孔處于基波和奇次諧波的壓力波節(jié)上，聲能損失減小，所以T型燃燒器很容易發(fā)生不穩(wěn)定燃燒。然而，當(dāng)固體復(fù)合推進(jìn)劑含有大量鋁粉時(shí)，高溫燃?xì)庵蠥l2O3微粒對(duì)聲振蕩有相當(dāng)大的阻尼作用，此時(shí)需采用“變?nèi)济妗被颉懊}沖”T型燃燒器才可產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒。

文獻(xiàn)[1-4]詳細(xì)介紹了T型燃燒器壓強(qiáng)耦合響應(yīng)試驗(yàn)研究的理論。Jerry C Frinlinson等[5-7]對(duì)T型燃燒器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用磁流體動(dòng)力技術(shù)測(cè)試振蕩條件下T型燃燒室流場(chǎng)，開展了固體復(fù)合推進(jìn)劑燃料組分AP、HMX、RDX的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)特性研究。劉佩進(jìn)等[8]基于靜止T型燃燒器雙脈沖外部激勵(lì)的方法，對(duì)兩種含鋁HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑開展了試驗(yàn)研究，分析比較其壓強(qiáng)耦合響應(yīng)特性的差異，獲得了兩種推進(jìn)劑在T型燃燒器中的衰減常數(shù)和燃面增益常數(shù)。

本文T型燃燒器采用杯狀增燃面藥柱及兩次脈沖激勵(lì)方法，通過旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)臺(tái)模擬藥柱所受軸向過載，建立了地面模擬軸向過載下推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合試驗(yàn)方法，開展過載條件下固體推進(jìn)劑的燃燒增益對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及原理

T型燃燒器旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)由旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)臺(tái)、T型燃燒器、脈沖觸發(fā)器、點(diǎn)火時(shí)序控制裝置和高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。T形燃燒器安裝在旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)臺(tái)上，噴管中心與旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心同心。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成在旋轉(zhuǎn)過載臺(tái)上。

圖1 T型燃燒器旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)系統(tǒng)

地面模擬軸向過載下推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合試驗(yàn)方法通過旋轉(zhuǎn)過載臺(tái)旋轉(zhuǎn)模擬過載條件，T型燃燒器在規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度下工作，此時(shí)藥柱軸向加速度為ω2R，其中，ω為旋轉(zhuǎn)過載臺(tái)旋轉(zhuǎn)角速度；R為藥柱端面距噴管中心線距離。

在T型燃燒器燃燒時(shí)間內(nèi)，燃面增益和各種阻尼都存在，點(diǎn)燃脈沖觸發(fā)器1點(diǎn)火藥可獲得壓強(qiáng)增長(zhǎng)常數(shù)；在藥柱肉厚燃燒完時(shí)刻，只有阻尼而無燃面增益，點(diǎn)燃脈沖觸發(fā)器2點(diǎn)火藥可以獲得壓強(qiáng)衰減常數(shù)。壓強(qiáng)增長(zhǎng)常數(shù)減去壓強(qiáng)衰減常數(shù)就可獲取燃面增益常數(shù)，進(jìn)而可獲取固體推進(jìn)劑在過載下的壓強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)。

固體推進(jìn)劑的壓強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)：

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)T型燃燒器長(zhǎng)2300 mm，內(nèi)徑90 mm。藥柱是杯狀藥柱，燃面為增面燃面，藥柱肉厚15 mm。脈沖器內(nèi)最高壓強(qiáng)約40 MPa。藥柱點(diǎn)火黑火藥藥量160 g，脈沖觸發(fā)器黑火藥藥量10 g。

開展了丁羥推進(jìn)劑在0g、5g、15g軸向載荷下的T型燃燒器試驗(yàn)。軸向載荷5g時(shí)，旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為62.4 rpm；軸向載荷15g時(shí)，旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為108 rpm。3次試驗(yàn)環(huán)境溫度為12 ℃，喉徑6.80 mm，脈沖觸發(fā)器1激勵(lì)時(shí)刻為0.8 s，脈沖觸發(fā)器2激勵(lì)時(shí)刻為1.8 s，具體見表1。

表1 T型燃燒器試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)過程中，首先啟動(dòng)高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)過載試驗(yàn)臺(tái)，使藥柱所受載荷達(dá)到規(guī)定值并且旋轉(zhuǎn)過載試車臺(tái)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，通過遠(yuǎn)距離點(diǎn)火時(shí)序控制裝置控制點(diǎn)火藥包同時(shí)點(diǎn)燃T型燃燒器兩端的藥柱，然后依照時(shí)序點(diǎn)燃兩個(gè)脈沖觸發(fā)器里的黑火藥包。

2.2 結(jié)果分析

圖2為3次T型燃燒室試驗(yàn)壓強(qiáng)曲線，3次試驗(yàn)脈沖觸發(fā)器1均在0.8 s激發(fā)，脈沖觸發(fā)器2均在1.8 s激發(fā)，且工作正常，脈沖觸發(fā)器1和脈沖觸發(fā)器2壓強(qiáng)振蕩曲線衰減時(shí)間大約0.1～0.2 s。試驗(yàn)后，0g、5g、15g過載試驗(yàn)燃燒室平均壓強(qiáng)分別為11.61、10.88、10.09 MPa，壓強(qiáng)沖量分別為30.1、28.8、25.6 MPa·s，藥柱所受軸向載荷增大，燃燒室壓強(qiáng)降低。3次試驗(yàn)后平均喉徑分別為6.83、6.83、6.82 mm，喉徑變化不是引起燃燒室壓強(qiáng)變化的主要原因。

圖2 T型燃燒室壓強(qiáng)曲線

圖3為不同過載下包覆藥柱殘?jiān)?。?為不同過載下包覆藥柱殘?jiān)|(zhì)量。

狀態(tài)凈藥量/g殘?jiān)|(zhì)量/g殘?jiān)柯?%0g3353.515g33521.86.515g33536.510.9

靜止?fàn)顟B(tài)下包覆套筒結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)現(xiàn)燃燒殘?jiān)鼰Y(jié)聚集于包覆套筒壁面，殘?jiān)|(zhì)量約3.5 g；5g軸向過載下，包覆套筒側(cè)壁面完全燒蝕，底面局部凝相殘?jiān)奂?，殘?jiān)|(zhì)量約21.8 g；15g軸向過載下，包覆套筒側(cè)壁面完全燒蝕，底面大面積凝相殘?jiān)奂?，殘?jiān)|(zhì)量約36.5 g。分析認(rèn)為：藥柱所受軸向過載增大時(shí)，凝相粒子在離心力作用下，在T型燃燒室兩端聚集，使得鋁粉未充分燃燒，導(dǎo)致推進(jìn)劑能量未完全釋放。表3為T型燃燒器試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

表3 T型燃燒器試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖4為T型燃燒器0g、5g、15g軸向過載壓強(qiáng)振蕩曲線。圖5為T型燃燒器0g、5g、15g軸向過載壓強(qiáng)振蕩FFT分析，壓強(qiáng)振蕩主要是以一階軸向振蕩模態(tài)為主,其一階頻率分別為189.8、192.3、190 Hz。試驗(yàn)過載垂直并指向于藥柱表面，隨著軸向過載的增加，燃?xì)庵心嗔Ｗ涌偭繙p小，燃面增益常數(shù)減小，從而造成系統(tǒng)阻尼效果減弱。

(a)0g (b)5g (c)15g

(a)0g (b)5g (c)15g

3 結(jié)論

(1)軸向過載值越大，T型燃燒器平均工作壓強(qiáng)越低，包覆套筒里凝相殘?jiān)|(zhì)量越多，分析認(rèn)為過載下鋁粉在藥面過度聚集使得鋁粉未充分燃燒，導(dǎo)致丁羥推進(jìn)劑能量沒有充分釋放.

(2)隨著軸向加速度的增加，T型燃燒器燃面增益常數(shù)和凝相粒子濃度減小，從而使阻尼效果明顯減弱。