低燃速HTPB复合推进剂过载情况下燃烧性能试验研究①

万 东,何国强,王占利,郑 凯

(1.西北工业大学航天学院,西安 710072;2.中国航天科工集团公司二院210所,西安 710065)

0 引言

当内孔燃烧的固体火箭发动机绕轴线高速旋转,或存在与发动机轴线垂直的过载,即存在垂直燃面的过载加速度时,发动机燃烧室工作压强和推力会出现升高等现象。分析发动机内弹道原理可知,当燃烧表面过载加速度大于某一数值时,发动机推进剂的燃速比静止状态下有一定的提高,从而导致发动机燃烧室工作压强升高。从20世纪50年代末开始,国外对这个问题进行了大量的实验和理论研究[1-5]。国内一些学者[6-8]从20世纪80年代也开始对此问题进行了大量研究,并针对目前大量使用的含铝丁羟复合推进剂(HTPB)进行了一系列的试验研究,得出了一些非常有价值的结论:(1)当铝粉含量相同时,燃速加速度敏感性随铝粉粒度增大而增大;(2)当铝粉粒度相同时,燃速的加速度敏感性随铝粉含量增大而增大:(3)燃速加速度敏感性随加速度水平提高而增大;(4)燃速高的推进剂加速度阀值高,如基础燃速为17.4 mm/s的复合丁羟推进剂,加速度阀值为50gn;基础燃速为7mm/s的复合丁羟推进剂,加速度阀值约为5gn(铝粉含量为16%,粒度为16μm)。

随着现代国防科学技术的发展,对固体火箭发动机性能要求越来越高,也就要求固体推进剂应具有良好性能,包括能量特性、燃烧特性、机械性能等。如为满足某导弹飞行特性要求,其动力装置为1台推力较大的单室双推力发动机,为了实现发动机二级小推力长时间的要求,在设计中二级装药选择了低燃速HTPB复合推进剂,燃速4mm/s(4 MPa),铝粉含量为16%、粒度为16μm。该发动机在参加导弹机动飞行试验时,燃烧室工作压强在很小的飞行横向过载情况下出现了跳变现象。分析认为,是由于发动机二级推进剂的加速度效应,导致推进剂在过载情况下燃速增加,从而导致发动机工作压强升高。而对如此低燃速、高铝粉含量的HTPB复合推进剂,其加速度效应研究很少见报道。

文中针对该类推进剂,利用离心试验方法对其在过载情况下的燃烧性能进行了研究。

1 试验系统及方法

1.1 试验装置

文中利用离心试验装置,对上述低燃速HTPB复合推进剂的加速度效应进行研究,离心试验装置主要由计算机采集和控制系统、变频电机、集流环、旋转盘等组成,见图1。为了在试验过程中得到稳定的试验要求转速,试验装置中2号计算机通过控制变频电机来控制试验转速,并通过转速测试仪来测量试验转速,形成闭环控制。1号计算机用来发送点火控制指令和采集试验发动机工作压强数据。集流环用来传输测试数据,设计有静电卸放装置,防止旋转盘在旋转时产生静电发生误点火,确保试验安全。

图1 试验装置示意图Fig.1 Diagram of test device

1.2 试验发动机

试验发动机由燃烧室壳体、药柱、前顶盖、喷管和点火药包等组成,见图2。试验发动机设计时,采用了对加速度反应较敏感的锥管形装药。为了减小喷管喉径变化带来的影响,喉衬选用耐烧蚀的钨渗铜材料。为了便于装配,发动机燃烧室和前顶盖、喷管连接采用法兰连接;试验发动机设计平均工作压强为4 MPa和12 MPa。推进剂为低燃速、高铝粉含量的HTPB复合推进剂,推进剂铝粉含量为15%,铝粉粒度为16μm。推进剂静态燃速水下声发射测试结果:在4 MPa压强下燃速4 mm/s;12 MPa压强下燃速6mm/s。试验发动机通过法兰与试验装置旋转盘连接固定,压强传感器安装在试验发动机前顶盖中心。

1.3 试验方法

为了对此类推进剂在不同压强和过载情况下的燃烧性能对比分析,试验分2组进行:低压4 MPa共进行了8发试验,试验发动机编号为1-01～1-08,高压12 MPa共进行了4发,发动机编号2-01～2-04。试验离心加速度分别为0、5gn、8gn、15gn,具体分配见表1,试验温度为20℃。试验时,将发动机对称安装,固定在旋转盘上。高压试验时,为了保证旋转稳定,旋转盘对应位置装有配重。根据要求的加速度和试验发动机轴线至离心旋转台轴线的距离,利用式(1)计算出试验台的转速。在试验过程中,为了得到平稳的旋转,在试验过程中先启动变频电机,对其进行闭环控制,当转速达到要求并稳定30 s后,试验发动机开始点火工作,计算机采集系统开始测试试验发动机的工作压强。

表1 离心试验加速度Table 1 Acceleration of centrifugal test

式中 G为试验过载加速度值,gn;R为试验发动机轴线至离心旋转台轴线距离,m;n为试验台转速,r/min。

2 试验结果分析

第1组(设计工作压强为4MPa)试验测试压强曲线见图3。

图3 不同过载加速度下的压强曲线(pd=4MPa)Fig.3 Pressure curve at different acceleration(pd=4 MPa)

从图3可看出,相同过载下2发试验发动机的工作压强最大值对应时间基本相同;不同过载下压强最大值出现的时间不同。分析认为,随着离心加速度的增加,正对旋转轴燃面处(外侧)的推进剂燃速增加,装药燃烧形腔向外偏置速度增加。从装药平行层燃烧规律来分析,压强最大点出现的时间与试验发动机旋转外侧主肉厚燃烧完成时间对应,这样就可计算出在不同载荷下正对离心加速度位置处的燃速。为便于分析,计算时取平均燃速,结果见表2。

表2 不同过载加速度下燃速(pd=4MPa)Table 2 Burning rate at different acceleration(pd=4M Pa)

根据计算结果,对不同过载加速度下燃速值进行线性拟合,见图4。在0～15gn范围内,该推进剂燃速与过载加速度值近似呈线性关系式:

式中 G为过载加速度;r为过载加速度对应的燃速。

图4 燃速在不同过载加速度下拟合直线(pd=4M Pa)Fig.4 Linear fit of burning rate at different acceleration(pd=4M Pa)

第2组(设计工作压强为12 MPa)试验测试压强曲线见图5。由于传感器原因离心加速度为15gn的试验没有采集到数据,所以只对离心加速度为0、5gn、8gn的测试数据进行分析。从图5的试验曲线可看出,随着离心加速度增加,压强最大值对应的时间提前,分析结果见表3。从表3中的数据可看出,与4MPa情况一样,在0～8gn范围内,该推进剂燃速随过载加速度增加而增加。同时,也可得到在相同离心加速度条件下,随着试验发动工作压强增加,推进剂燃速也增加,即加速度效应越明显。

图5 不同过载加速度下的压强曲线(pd=12MPa)Fig.5 Pressure curve at different accelerations(pd=12MPa)

表3 不同过载加速度下燃速(pd=12M Pa)Table 3 Burning rate at different accelerations(pd=12MPa)

从试验测试的压强曲线还可看出,随着离心加速度增加,试验发动机工作时间加长。为了便于分析,取第1组试验的4条典型试验数据进行对比分析,见图6。在同一工作压强及不同过载情况下,试验发动机工作时间见表4,工作起始和结束点压强取0.3 MPa。从表4中可看出,随着离心加速度增加,试验发动机工作时间增加,即发动机试验压强曲线拖尾段加长,说明随着加速度增加,由于此类HTPB复合推进剂的加速度效应,与加速度垂直的燃面处燃速也随之增加,药柱燃烧型腔相对于发动机轴线偏离程度越大,从而导致余药增多、压强下降点提前,使得发动机工作时间增加。

图6 在不同过载加速度下的压强曲线(pd=4MPa)Fig.6 Curve o f pressure at different accelerations(pd=4MPa)

表4 不同过载加速度下的工作时间(pd=4MPa)Table 4 ta of testm otor at different accelerations(pd=4MPa)

3 结论

(1)与高燃速HTPB复合推进剂相比,此类低燃速推进剂对垂直燃面的过载加速度更为敏感。在加速度较低情况下,就出现加速度效应。

(2)此类低燃速推进剂的加速度阀值低于5gn。

(3)在同一工作压强、过载加速度为0～15gn的条件下,推进剂燃速与加速度成近似呈线性关系。

(4)在相同过载加速度情况下,随着工作压强增加,推进剂加速度效应越明显。

[1] Melcher JC,Brzozowski JT,Krier H.Combustion of aluminum in solid rocket motor flows[R].AIAA 2000-3333.

[2] Krier H,Surzhikov ST.Prediction of the effects of acceleration on the burning of AP/HTPB solid propellants[R].AIAA 2001-0343.

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[6] 张如洲,张平,李葆江,等.加速度对固体火箭发动机内弹道性能的影响[J].推进技术,2002,23(3).

[7] 张如洲,李葆江,郑晓平,等.加速度对含铝复合推进剂燃烧特性的影响[J].推进技术,1995,16(2).

[8] 万章吉.关于加速度场对固体火箭发动机内弹道性能影响的实验研究[J].弹箭与制导学报,1993(3).