隔层式双脉冲固体火箭发动机点火工作特性研究

发布时间：2020-03-20 20:05

【摘要】：双脉冲固体火箭发动机提高了导弹的生存能力,强调了弹道的可变性,解决了固体火箭发动机点火过程中推力不可中断和调整的缺陷。由于隔层式双脉冲固体火箭发动机具有便于加工、消极质量小等优点,是目前双脉冲发动机重要发展方向之一。本文针对隔层式双脉冲固体火箭发动机Ⅱ脉冲点火冲击过程,设计并搭建了一套冷气冲击实验系统,通过ANSYSY Workbench软件对双脉冲发动机Ⅱ脉冲点火冲击过程进行了仿真研究,分析了推进剂装药加质、点火器质量流率和隔层材料参数对Ⅱ脉冲点火冲击过程的影响。本文主要内容如下:(1)针对隔层式双脉冲固体火箭发动机Ⅱ脉冲点火冲击过程的特性,设计并搭建了一套冷气冲击实验系统,通过冷气冲击实验模拟Ⅱ脉冲点火产生的初始压力峰对隔层的瞬时冲击作用,测得了实验过程中不同监测点压强和隔层破裂时间。介绍了冷气冲击实验系统的储气启动系统、实验发动机系统、数据测量采集系统的组成和功能,并采用高速相机记录了隔层在冷气冲击作用下的变形和破坏过程。(2)通过ANSYS Workbench软件的System Coupling模块对流体域和固体域进行数据传递,建立了双脉冲发动机冷气冲击过程的双向流固耦合计算模型。通过冷气冲击实验,发现隔层无预制缺陷会在冷气冲击作用下产生碎片,影响双脉冲发动机正常工作。分析对比了缓慢建压和冷气冲击情况下隔层的破开压强和时间,并把实验监测点数据和数值仿真结果进行对比,验证了本文双向流固耦合数值模拟方法。(3)基于FLUENT软件对点火器边界、推进剂点火燃烧加质过程进行二次开发,建立了双向流固耦合计算模型,对轴径向混合隔层式双脉冲发动机Ⅱ脉冲点火冲击过程进行仿真研究,分析了 Ⅱ脉冲点火过程的内流场特性、压强冲击特性和隔层力学特性,并根据隔层表面路径上等效应力的变化,把Ⅱ脉冲点火冲击过程分为三个阶段。(4)研究了推进剂装药加质、点火器质量流率和隔层材料参数对Ⅱ脉冲点火冲击过程的影响。在无推进剂加质作用下,燃气与流体域末端壁面相撞击时间与隔层破裂时间延长,隔层破裂时流体域最大压强减小;点火器质量流率增大,推进剂装药首次点燃时间和隔层破裂时间变短,隔层破裂时流体域最大压强增加;隔层材料参数对隔层总变形量影响显著,但是对隔层破裂时间和流体域最大压强影响不明显。
【图文】：

双推力,隔离装置,双脉冲,级间

Ｓｈｅａ邋Ｃ邋Ｊ［８＿９］针对间歇性固体火箭发动机进行了研宄，成功研制出一种间歇性双推力固体逡逑火箭发动机，该发动机采用易碎式隔舱，Ｉ脉冲工作时隔热承压，防止ＩＩ脉冲装药被点逡逑燃，而ＩＩ脉冲工作时顺利打开，进行了点火实验并且得到了可靠的结果，如图１．２所示。逡逑脉冲点火具Ｕ脉冲燃烧室逦丨脉冲燃烧室邋１脉冲点火具逡逑级间隔舱易碎式隔板逦喷管组件逡逑图１．２间歇性双推力固体火箭发动机逡逑１９８６年，美国通用公司的Ａｌｅｘａｎｄｒｉｓ邋Ｇ［ｉｅ］研制出了一种双脉冲发动机级间隔离装置逡逑的隔热层，成功的解决了喉道较小的双脉冲发动机在工作时级间隔离装置被撕裂成体积逡逑较大的碎片的问题。美国的ＦＲＯＮＩＮＱ邋ＪＲｒｆ１１：！对脉冲固体火箭发动机整体化和弹翼小型逡逑化等技术问题进行了相关研宄。１９８９年，美国聚硫橡胶公司的ＢｏｌｉｅａｕＣＷ，邋Ｇｒｏｓｇｅｂａｕｅｒ逡逑Ｒ邋Ａ［１２Ｉ设计出了一种带有通气孔的金属膜片式脉冲隔离装置双脉冲发动机，而且其支撑逡逑件与隔热密封层贴合紧密。同年，日本化学公司和日本防务省联合对其所设计的双脉冲逡逑发动机进行实验，该发动机的级间隔离装置是喷射棒式隔舱，由难熔金属材料为基体的逡逑喷气隔板上有１９个孔，塞在１９个孔中的喷射棒由纤维增强塑料制成，，如图１．３所示。逡逑在Ｉ脉冲工作时

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Ｎａｕｍａｎｎｅ，Ｓｔａｄｌｅｒ等人［２６－２８］制造并设计了防空导弹ＬＦＫ－ＮＧ的双脉冲固体逡逑火箭发动机样机，该发动机的隔离装置采用金属膜片式。研究中测试了金属膜片的工作逡逑状态［２＇点火延迟系统［３Ｇ］、热防护层等零部件。并且如图１．４所示进行了多次自由飞行逡逑实验和地面静止实验。逡逑才十：0＼逦Ｑ＝ｊ＝ｉＱＬ＿＾＾逡逑—．．．．．逡逑图１．５新型混合隔层式双层发动机结构简图逡逑２００７年，日本Ｍｉｈａｍ，Ｃｈｉｙａｋｏ等人设计出了一种新型的双脉冲发动机，该发逡逑动机针对双脉冲发动机的两个典型问题进行解决：ＩＩ脉冲工作时，级间隔离装置不能顺逡逑利打开；保证Ｉ脉冲安全工作的同时却降低了总体效率。该新型双脉冲发动机的结构如逡逑图１．５所示，并申请了多项相关专利。２００８年，德国柏林航空航天博览会，展出了新一逡逑代ＬＦＫ－ＮＧ防空导弹，以双脉冲发动机作为其动力装置，而且顺利通过两次实验验证［３４］。逡逑２０１２年，Ｊａｖｅｄ等人［３５］通过ＣＦＸ流体仿真软件对金属膜片式双脉冲发动机三维内流场逡逑进行了数值模拟。假设此时金属膜片完全破裂，发现ＩＩ脉冲工作时产生的燃气在Ｉ脉冲逡逑燃烧室内产生了比较大的回流区，并对此时发动机内部的压力、温度等进行了分析。逡逑２０１３年
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V435

【参考文献】