固冲发动机三工况转级试验气流转换装置设计①

何德胜，李广武，杨 威，赵继伟，鲍福廷

(1.西北工业大学航天学院，西安 710072;2.中国航天科技集团公司四院401所，西安 710025)

固冲发动机三工况转级试验气流转换装置设计①

何德胜1，李广武2，杨 威2，赵继伟2，鲍福廷1

(1.西北工业大学航天学院，西安 710072;2.中国航天科技集团公司四院401所，西安 710025)

根据固冲发动机三工况转级试验时序要求，设计一套气流转换试验装置，实现来流的溢流和无溢流供气转换。根据试验结果分析，气缸工作压强最低为0.5 MPa，最大工作压强为0.8 MPa;对于进气模拟参数分别为流量4 kg/s，温度550 K的试验工况，气缸与排气腔之间石棉垫绝热密封效果良好，不需要对气缸采取冷却措施;而对于进气模拟参数分别为流量6 kg/s，温度625 K的试验工况，需要对气缸采取冷却措施。气流转换装置满足试验要求，且结构合理、简便，操作简单。

固冲发动机;三工况;转级试验;气流转换装置

0 引言

固冲发动机三工况试验包括助推发动机试验、进气道堵盖打开试验、冲压发动机试验3个工况［1-2］，三工况转级试验即为此三工况之间的转换试验。固冲发动机三工况转级试验是发动机研制过程中不可或缺的一环，可考核发动机各部件的工作协调性，考察转级构件和控制装置的功能和工作可靠性，测定转级过程工作参数。

直连式试验是将发动机的进气道直接与空气管道相连，通过模拟来流的总温和总压，达到模拟发动机内部流动和燃烧室工作的目的［3］。

本文采用固冲发动机直连式试验方法进行三工况转级试验。按照试验时序要求，助推发动机先工作，之后进气道堵盖打开，最后进入冲压发动机试验阶段。在助推发动机工作阶段，要求进气道堵盖密闭，来流空气不进入固冲发动机补燃室，来流空气通过气流转换装置溢流［4］。在进气道堵盖打开之后要求气流转换装置切换至无溢流状态，来流空气全部进入发动机补燃室，进入冲压发动机工作阶段，实现转级。

本文根据固冲发动机三工况试验程序要求，设计了一种气流转换装置，以实现稳压舱内气流的溢流和无溢流供气状态转换。

1 实验方法

固冲发动机直联式试验方法是选用氧气/酒精加热器直接加热空气生成模拟来流空气，具有一定总温、总压的来流空气进入稳压舱整流，通过金属软管与发动机进气道连接，保证足够平稳的气流进入固冲发动机补燃室。固冲发动机固定安装在测力台架动架上，通过测力组件与承力墩相连，承力墩安装在测力台架的定架上，试验方法示意图见图1。

图1 固冲发动机三工况转级试验方法示意图Fig.1 Schematic diagram of three-operating conditionsconversion test of solid-fuel ramjet

考虑到发动机进气道带有堵盖，且进行了耐压单项试验，可忍受不大于0.6 MPa的压强。为简化试验装置，在稳压舱两进气口之下开一圆孔，用于连接气流转换装置。气流转换装置是实现来流进气和溢流的关键组件。

2 气流转换装置工作原理及设计

2.1 工作原理

气流转换装置是满足供气状态转换需求的机电装置，安装在稳压舱堵盖上，主要包括驱动气源、气缸、二位五通电磁阀、排气腔、密封盖板等部件。采用气缸作为加力机构，通过气缸内活塞连杆的运动控制密封盖板与稳压舱堵盖的开启与闭合，从而实现来流的溢流与无溢流转换;气缸内的活塞连杆正反向运动采用高压氮气驱动，正反向的转换通过二位五通电磁阀控制;气缸通过转接头、金属软管与二位五通电磁阀连接。

2.2 结构设计

按照试验程序，进气道堵盖未打开之前，要求气流转换装置溢流排气。设计气流转换装置，主要包括稳压舱堵盖、密封盖板、圆环密封垫、连接螺杆、排气腔、气缸、转接头、金属软管、二位五通电磁阀等，见图2所示。将连接螺杆一端与密封盖板相连，连接螺杆另一端与气缸内活塞连杆相连;稳压舱堵盖上已有进气孔，再加工一个溢流孔，安装圆环密封垫。

采用高压氮气作为驱动气源。高压氮气瓶出口安装减压阀，用金属软管将二位五通电磁阀进气端与减压阀相连，预先设定减压阀工作压强;通过固冲发动机三工况转级试验时序控制系统控制二位五通电磁阀的切换作动，实现来流的溢流和进气切换。

图2 气流转换装置结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of air conversion device

当发动机进气道堵盖未打开，要求气流转换装置溢流排气。采用电磁阀控制转换气缸活塞连杆正向运动，密封盖板与稳压舱堵盖处于开启状态，实现来流的溢流排气，见图3(a)所示;当发动机进气道堵盖打开，要求气流转换装置溢流排气关闭。采用电磁阀控制转换气缸活塞连杆反向运动，密封盖板与稳压舱堵盖处于闭合状态，实现来流的进气要求，见图3(b)所示。

图3 气流转换装置动作示意图Fig.3 Movement schematic diagram of air conversion device

气流转换装置与稳压舱盖之间的连接采用密封盖板、聚四氟乙烯圆环密封垫压实密封，盖板直径d1=130 mm，设计有密封刀口，见图4。

来流的溢流排气采用径向对称、平行于推力台架的排气方式，排气产生的作用力可相互抵消，合力为零，不影响发动机推力测量精度。排气腔进气口和排气口垂直相贯加工，直径相等，有利于来流气体的及时排出。排气腔结构见图5。

选用缸径d2=100 mm、最大行程s=40 mm、最大耐压0.8 MPa气缸作为加力执行机构。气缸与密封盖板之间用连接螺杆相连，要求密封盖板与稳压舱堵盖之间最大距离小于气缸最大行程，设计为35 mm，可防止气缸活塞连杆在回程状态下，密封盖板与稳压舱堵盖之间无接触，未能达到密封的目的。

为防止溢流温度过高，影响气缸的正常使用，在排气腔与气缸之间采用石棉垫隔热连接;选用二位五通电磁阀，工作电压为DC(27±3)V，工作压强范围为0.15～0.8 MPa;气缸与电磁阀之间采用转接头、金属软管连接;电磁阀通过转接头、金属软管、减压阀和压强表与高压氮气瓶连接。

在发动机进气道堵盖未打开时序下(见图3)，设密封盖板承压为p1(稳压舱内压强)，密封盖板截面积为A1，则密封盖板承力F1=p1·A1;气缸最大耐压p2=0.8 MPa，气缸活塞截面积A2，则气缸活塞最大承力为F2=p2·A2。为了保证气缸的安全使用，要求F1≤F2，即

进气道堵盖最大耐压为0.6 MPa，当稳压舱内压强p1≤0.473 4 MPa时，进气道堵盖和气缸都可正常使用。因此，将p1=0.473 4 MPa定义为气缸正常使用的最大临界压强值。表1为不同气缸工作压强下，进气道堵盖和气缸可正常工作时，所对应的稳压舱内最大允许压强值。

图4 密封盖板Fig.4 Sealing cover

图5 排气腔结构图Fig.5 Structure schematic diagram of exhaust cavity

按试验要求，密封盖板打开与关闭间隔响应时间要求不大于800 ms。

表1 压强对应表Table 1 Correspondence pressure of cylinder＆regulation cell MPa

3 试验验证

图6为验证试验实拍照片。进气模拟参数为流量为4 kg/s，温度为550 K，气缸工作压强给定0.8 MPa。

先对密封盖板与稳压舱堵盖的开启与闭合间隔响应时间进行单项测试，共完成10次单项试验，测得平均间隔响应时间为500 ms，其中最大间隔响应时间为540 ms，满足试验要求。

在稳压舱上端两出口进气管道上安装总压传感器。试验结果如下:进气道堵盖未打开之前(密封盖板与稳压舱堵盖处于开启状态)，稳压舱内压强为0.276 MPa。对照表1，此压强值小于当气缸工作压强为0.8 MPa时对应的p1值，更小于发动机进气道堵盖最大耐压0.6 MPa，满足试验要求。按照表1所示，可将气缸工作压强调低为0.5 MPa。

按照试验要求，助推发动机工作时间为3 s，转级至进气道堵盖打开时间为2 s。为考核气流转换装置耐热性能，延长了助推发动机工作之前的进气时间，时间为30 s。试验之后，气缸壳体温度变化不大，连接螺杆温度增加，气缸与排气腔之间石棉垫绝热密封效果良好。

将进气模拟参数调整为流量为6 kg/s，温度为625 K，气缸工作压强给定0.8 MPa。试验结果如下:进气道堵盖未打开之前(密封盖板与稳压舱堵盖处于开启状态)，稳压舱内压强为0.452 7 MPa。对照表1，此压强值小于当气缸工作压强为0.8 MPa时对应的p1值，也小于发动机进气道堵盖最大耐压0.6 MPa，满足试验要求。助推发动机工作之前的进气时间为30 s。试验之后，气缸壳体温度略有增加，连接螺杆温度较高，需要对气缸进行冷却。

图6 验证试验实拍照片Fig.6 Photos of verification test

4 结论

(1)根据固冲发动机三工况转级试验要求，设计了气流转换装置，结构设计合理、安装简单、便于操作。

(2)进行了2次验证试验。进气模拟参数分别为流量4 kg/s，温度550 K;流量6 kg/s，温度625 K。气缸给定工作压强均为0.8 MPa，进气道堵盖未打开之前，实测稳压舱内压强分别为0.276 MPa和0.452 7 MPa，均小于气缸正常使用的最大临界压强值和堵盖最大耐压0.6 MPa，满足试验要求，气缸工作压强可调低为 0.5 MPa。

(3)对于进气模拟参数分别为流量4 kg/s，温度550 K的试验工况，可将气缸工作压强调低为0.5 MPa;对于进气模拟参数分别为流量6 kg/s，温度625 K的试验工况，气缸工作压强只能使用最大工作压强0.8 MPa。

(4)对于进气模拟参数分别为流量4kg/s，温度550 K的试验工况，气缸与排气腔之间石棉垫绝热密封效果良好，不需要对气缸采取冷却措施;而对于进气模拟参数分别为流量6 kg/s，温度625 K的试验工况，需要对气缸采取冷却措施。

［1］张炜，朱慧，方丁酉，等.冲压发动机发展现状及其关键技术［J］.固体火箭技术，1998，21(3).

［2］叶定友.固体火箭冲压发动机的若干技术问题［J］.固体火箭技术，2007，30(6).

［3］鲍福廷，黄熙君，张振鹏，等.固体火箭冲压组合发动机［M］.北京:中国宇航出版社，2006.

［4］Ronald S Fry.A century of ramjet propulsion technology evolution［J］.Journal of Propulsion and Power，2004，20(1).

Design of air conversion device for three-operating conditions conversion test of solid-fuel ramjet

HE De-sheng1，LI Guang-wu2，YANG Wei2，ZHAO Ji-wei2，BAO Fu-ting1
(1.College of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi＇an 710072，China;2.The 401th Research Institute of the Fourth Academy of CASC，Xi＇an 710025，China)

An air conversion device，which can control air conversion between overflow and non-overflow，has been designed according to the sequence request of solid-fuel ramjet three-operating conditions conversion test.According to the test results and the analysis，the working pressure of cylinder is between 0.5 MPa and 0.8 MPa.The cylinder need not be cooled under 4 kg/s flow rate and 550 K temperature due to because the good insulation and sealing effect of asbestos gasket.But it need be cooled under 6 kg/s flow rate and 625 K temperature.The air conversion device meets the requirements of test and pasesses the advantages of reasonable structure and simple operation.

solid-fuel ramjet;three-operating conditions;conversion test;air conversion device

V435

A

1006-2793(2012)03-0419-04

2011-12-22;

2012-03-14。

总装预研项目(51328050302)。

何德胜(1974—)，男，博士生，主要从事固体火箭冲压发动机地面试验技术研究。

(编辑:吕耀辉)