关键词:
固体推进剂
点火燃烧
固体火箭发动机
燃面拓展
火焰传播
摘要:
近年来,我国航天重大工程不断推进、先进导弹武器装备逐步升级换代,强烈的军事需求背景带动了固体火箭发动机的研制和发展。固体推进剂作为固体火箭发动机的能源燃料,其性能优良直接决定固体火箭的关键技术指标,而固体火箭发动机点火过程涉及复杂的传热传质过程和物理化学反应,且压强变化巨大。因此为了充分的掌握固体推进剂点火燃烧机理与固体火箭发动机点火建压过程特性,开展了不敏感推进剂可靠点火及影响因素研究、不敏感推进剂燃烧特性研究、高能固体推进剂点火过程与燃烧机理研究、固体推进剂微CT多颗粒点火燃烧模型研究、固体火箭发动机燃烧室点火建压阶段全过程研究,为固体推进剂的应用及固体火箭发动机的设计提供理论依据与技术支撑。
首先,基于CO2激光点火燃烧实验系统,对CO2激光点火器的功率进行了标定,拟合获得了激光功率转化的标定公式,设计了递进(递减)循环判断点火流程,建立了固体推进剂最小点火能测定方法,开展了多因素影响下HTPE推进剂点火可靠性研究和最小点火能测定,特别关注了低温下的点火能量,研究结果表明随着温度、压力和氧含量的增加,HTPE固体推进剂的最小点火能量降低。在-50°C环境下,三种HTPE推进剂(HTPE_0、HTPE_Ca、HTPE_Sr)的最小点火能分别为0.738 J、1.038 J和1.862 J,燃速调节剂会显著增大低温环境下的最小点火能量。随后对比研究了HTPE与HTPB固体推进剂的点火燃烧特性,研究结果表明在氩气/0.1 MPa/20°C环境下,HTPE推进剂具有较低的燃烧强度。温度的提高、压力的增大、含氧量的增多,可以有效促进HTPE推进剂的燃烧。
其次,基于电热丝点火燃烧实验系统,建立了固体推进剂点火过程燃面拓展测量方法,研究了点火过程推进剂燃面形态变化规律,通过对比分析CL-20/GAP与AP/HTPB推进剂燃面拓展特性与点火延迟时间,发现CL-20/GAP固体推进剂燃烧面积平均拓展速度大于AP/HTPB固体推进剂,燃面拓展进展早于AP/HTPB固体推进剂,同时CL-20/GAP固体推进剂团聚特性明显,造成了燃面拓展过程的不稳定;此外,CL-20/GAP固体推进剂因其高能特性具有更小的点火延迟时间。CL-20/GAP与AP/HTPB固体推进剂随着压力的提升,点火性能和燃烧强度均呈现提高和增大趋势。通过对比CL-20/GAP与AP/HTPB固体推进剂燃烧过程,发现CL-20/GAP固体推进剂具有较高的燃烧温度与压强指数,在3 MPa压力下燃烧温度达到2960℃,压强指数达到0.66;在同样的压力条件下,CL-20/GAP固体推进剂燃烧火焰大于AP/HTPB固体推进剂,然而会在燃烧过程中释放大量的团聚体,并随着压力的升高而减少。CL-20/GAP固体推进剂在点火和燃烧过程中具有相较于AP/HTPB固体推进剂更高的能量释特性。
再次,考虑不同组分在固体推进剂气相中的微元火焰特性,采用四步化学反应机理,基于质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒建立了气相域模型;对于燃面采用动态网格技术实现动态推移,同时采用速度、温度、质量、能量与组分连续边界条件耦合气相域与固相域;对于固相域,结合固体推进剂理化表征结果,考虑不同组分的传热,建立固相域模型,最后建立了固体推进剂微CT多颗粒点火燃烧模型。随后充分考虑固体火箭发动机点火建压过程燃烧室环境特点,针对稳态压力、不同的点火燃气温度与初始温度、升压速率与压力振荡等条件下进行模拟计算与分析。研究结果发现,在点火过程中,推进剂燃面温度的变化随着时间的推移,由不同组分物理性质起主导作用转变为化学反应起主导作用;同时随着点火燃气温度与初始温度的上升,点火延迟时间呈减小趋势,并且初始温度对点火延迟的影响大于点火燃气温度对点火延迟时间的影响。在稳压燃烧过程中,燃速随压力提高呈现增大趋势,燃速压强指数为0.43,符合相应的压力指数范围;火焰结构会随着压力的增大呈现由预混火焰至扩散火焰的转变,燃面温度峰值出现在AP/HTPB交界面处。在压力强瞬变过程中,燃面形态的变化影响因素由动态燃面组分分布与压力共同决定,燃面形态的变化决定了反应核心区的分布,压力的变化决定了燃烧过程放热量的大小,在振荡性的压力变化环境中,燃速呈现出与压力相关的变化特征。
最后,本文利用计算流体动力学技术,采用有限体积法,并基于等效源项法,构建了固体火箭发动机点火建压模型,并将本模型的内弹道压力曲线与真实发动机实验进行了对比验证,结果表明数值模拟与实验结果接近,压力峰值分别为6.8 MPa与6.9 MPa,且压强都在15 ms时趋于稳定。随后对发动机点火建压过程中的点火延迟期、火焰传播期与燃气填充期的压力与温度分布特征进行了计算与分析,结果表明对于6 g的点火装药,点火延迟时间、火焰传播时间分别为0.44 ms与2.74 ms,峰