固体火箭发动机的实际和预示压力—时间历程之间的差别

固体火箭发动机(SRM_S)中实际的稳态压力——时间历程经常不遵循用经典方程和方法所预示的曲线形状。每个发动机偏离预示压力的最大幅度和时间均不相同。对具有圆柱和星孔形状的分段推进剂药柱的航天飞机固体火箭发动机,本文提出了关于这种偏差的数据。本文对端面燃烧药柱的有关类似情形的数据也进行了讨论。     

固体火箭发动机药柱结构完整性研究进展

从推进剂及粘接界面力学性能、推进剂及粘接界面失效、发动机药柱及推进剂数值仿真方法、发动机药柱结构试验技术四方面，对药柱结构完整性发展现状进行了全方位多角度的评述，分析了目前固体发动机药柱结构完整性研究所面临的挑战，指出未来应重点发展推进剂和粘接界面力学特性及失效的多尺度表征和测试方法、先进数值仿真方法和发动机药柱结构试验技术，以及开发药柱结构完整性评估一体化平台。     

采用高低燃温组合装药降低喷管内表面温度和烧蚀研究

根据不同推进剂及目前热防护材料的性能特点,采用了一种组合药柱的新方法,用来降低喷管内表面的温度和烧蚀率。该方法的主要设计思路是将药柱形式分为前后两段,靠近发动机头部段使用高能推进剂,靠近喷管段使用低燃温推进剂。低燃温推进剂占总推进剂质量百分比的很少一部分。使用这样的组合药柱形式,低燃温推进剂燃烧产生的气体会在喷管内表面形成一层低温帘幕,从而降低喷管内表面的温度和烧蚀率,使高能推进剂在固体火箭发动机设计上得到应用,并有助于提高发动机的质量比。     

发动机药柱和推进剂方坯老化性能相关性研究

通过长期贮存的CTPB推进剂方坯性能变化和发动机中推进剂药柱性能变化比较,研究了发动机药柱和推进剂方坯老化性能的相关性,发现发动机中不同位置的推进剂性能的变化有明显差异,内层推进剂“变软”的速率比外层慢得多。当外层推进剂强度降低较大时,内层推进剂仍有较高的保持率,几乎和推进剂初始性能相同,并且强度由内向外逐渐变化。因此。单用推进剂方坯的老化性能难于推断发动机药柱的寿命,并对这一现象对发动机寿命的影响进行了讨论。     

NEPE推进剂发动机振动安全性试验研究

为了评估NEPE推进剂全尺寸发动机在经受弹射和飞行振动载荷下的安全性,在不同试验条件下进行了NEPE推进剂165 mm发动机的振动试验。理论分析认为,NEPE推进剂全尺寸发动机在振动条件下因药柱温度升高及静电积聚而发生危险的可能性很小,通过相关试验验证了该结论,说明采用NEPE推进剂165 mm发动机进行全尺寸发动机振动安全性评估可行。     

用于大型固体推进剂火箭发动机的独特点火系统试验

本文介绍了用于大型固体推进剂火箭发动机的组合式无喷管、无壳体点火器方案的设计、分析及试验结果。该点火方案的主要优点是可以把60%左右的点火器消极重量变成药柱有效载荷。点火系统的主装药由点火器周围的发动机前段装药所构成。这段装药又是发动机推进剂药柱的一部分,设计成象一个小的低压无喷管火箭发动机,给主发动机推进剂段提供足够的压力和热流输出以实现发动机点火。前段推进剂的点火由一个比较小的径向排气的BKNO_3烟火剂药片点火器来实现。试验计划需验证三个方面的设计问题:     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。     

丁羟推进剂定载破坏试验探索研究

研究了丁羟推进剂在定载荷下断裂所需时间与推进剂本身抗拉强度的关系，并且给出了环境温度和湿度，试件大小，形状和制作方法对推进剂断裂所需时间的影响，为固体火箭发动机药柱设计提供了参考数据。     

固体火箭发动机药柱加压固化仿真

对于药柱外/内径比(m数)很大的贴壁浇注式固体火箭发动机,在固化降温后,推进剂药柱内会产生显著的热应变,这严重限制了发动机的进一步高性能化。加压固化是一种降低推进剂药柱内热应变的有效方法。文中分析了加压固化的原理,推导出了加压固化所需压强与发动机参数之间的关系式,提出了一种两步分析法的加压固化有限元分析方法。针对4种不同壳体材料的圆管发动机,进行了加压固化理论计算与有限元仿真分析,给出了4种壳体加压固化时的推荐压强。     

固体火箭发动机药柱主动段飞行时应力应变分析

为了探讨固体火箭发动机药柱主动段飞行时的形变、应力和应变变化规律,以星形药型发动机为例,采用三维粘弹性有限元法,根据推进剂药柱的燃烧规律,通过计算发动机药柱在整个工作过程中不同烧蚀情况下各构成部分的结构响应,得到了主动段飞行时发动机药柱在不同环境温度、燃气内压与轴向过载联合作用下位移、应力和应变场随时间的变化规律。结果表明,低温点火发射时,内压增压至峰值时为发动机最危险时刻。     

机载发动机药柱在温度循环载荷下的力学响应分析

针对机载导弹固体火箭发动机在地面常温贮存和高空低温下挂飞的实际情况,利用ABAQUS有限元软件计算分析了HTPB推进剂药柱在飞机多次起降过程中形成的温度循环载荷下受到的热应变分布,研究了循环次数和挂飞时间对药柱温度场和应变场分布的影响规律,重点分析了药柱内几个特征点的温度和应变随循环次数、挂飞时长的变化,基于以上分析对药柱结构完整性进行了失效评估。结果表明,在挂飞阶段结束时刻,最低温度位于燃烧室外表面,最大应变始终位于药柱内孔;在一定循环次数内,药柱所受热应变随次数的增加有所增大,而挂飞时长的增加会使药柱受到的热应变明显增大,对装药结构影响更加显著。仿真结果对后期进行推进剂试验研究和发动机挂飞工况下的安全设计都具有实际参考意义。     

发动机药柱的试验评价

药柱结构的完整性通常以实验室方皮试样的力学性能数据来评价。过去数年中,为了验证药柱结构能力,航空喷气公司进行了大量的试样切割和发动机解剖试验。从这些试验清楚地看出,标准方皮试样数据与实际推进剂药柱的整体和局部性能数据以及包复层/绝热层等其它材料性能数据相比,常常是不完整或是有差错的。为什么会得到不一致的结果,还不能圆满地解释。但很明显,发动机的工艺方法和总装后发动机的材料相互作用是出现差异的重要因素。本文提供了对发动机研究的实例,验证了把推进剂药柱的试验鉴定作为整体结构评价关键因素的重要意义。     

固体火箭发动机药柱可靠性及寿命预估研究

以某型号固体火箭发动机推进剂力学性能随贮存时间变化引起药柱点火工作瞬时结构可靠性降低为衡量指标,预估了发动机寿命。首先研究了发动机自然贮存2、4、12、14、16 a后推进剂的力学性能参数及其分布规律,然后用随机有限元法分析了发动机点火过程中的应力、应变的统计分布,并用应力-强度干涉模型计算了贮存不同时期药柱的点火瞬时可靠性,以此为依据确定了发动机可靠寿命。研究结果表明,该型号发动机以0.97为可靠性下限的寿命约为15 a。     

H_2O_2/HTPB缩比固液火箭发动机药柱燃速试验研究

对采用90%H2O2/HTPB基推进剂组合的缩比固液火箭发动机开展了药柱燃速试验研究,得到了不同点火方式和不同氧化剂流率下的药柱燃速。试验结果表明,在相同的氧化剂流率下,催化点火方式比点火药点火方式药柱燃速要高,燃烧室压力更为平稳,同时建压时间要长。根据点火药点火方式下不同氧化剂流率的药柱燃速拟合得到了燃速公式,并运用燃速公式对300 mm全尺寸发动机进行了装药设计及内弹道性能计算,得到的理论性能曲线与试验结果吻合很好,验证了本文采用的燃速研究方法及结果。     

嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响

为了获得嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响,开展了药柱不同沸腾高度及典型脱粘对发动机推力变化计算。分析结果表明,在嵌金属丝情况下,沸腾高度影响着二级推进剂参与燃烧的时刻及过渡段内弹道性能变化。包覆层与药柱出现脱粘时发动机推力会出现异常,通过对试验数据进行反算验证,认为脱粘是导致推力突变的主要原因。该分析能为同类型发动机设计提供一定参考。     

一种少烟固体火箭发动机的结构使用寿命估计

少烟幼畜(Maverich)固体火箭发动机的结构使用寿命估计是以解剖发动机的推进剂性能数据为基础进行的。为了在两年的时间里模拟五年的使用寿命,这些发动机经历了实验室加速化学和力学老化。用经验老化模型来推测发动机推进剂的性能和药柱横截面上的性能梯度,建立了有限元计算机模型来计算这些性能梯度,并确定发动机安全裕度与时间的函数关系。根据分析,预计这种发动机的使用寿命在10年之上。     

长期自重载荷作用下固体发动机药柱的位移分析

为了分析固体发动机药柱在长期自重载荷作用下的位移水平,采用加速老化试验,得到该推进剂松弛模量随贮存时间的变化规律;考虑固体导弹发动机的实际贮存情况,探讨了有限元计算中处理发动机滚转的方法;应用三维粘弹性有限元分析方法,对贮存一定时间后的发动机进行了数值仿真,从中获得发动机药柱在长期自重载荷作用下的位移情况。计算结果表明,固体发动机每0.5 a定期翻转,蠕变基本回复到原来的3%以内,药柱的位移增加不大,说明贮存过程中每0.5 a翻转1次是一种好方法,可为固体发动机的设计和使用提供参考。     

挂载飞行温度边界下固体发动机药柱结构响应分析

为了研究机载导弹发动机在挂载飞行温度边界条件下药柱的结构响应特性,针对六角星形装药发动机建立了有限元分析模型,采用线粘弹性本构模型描述固体推进剂的力学响应,计算分析了不同挂载飞行高度和飞行速度条件下发动机药柱的结构响应特性,并结合渐近损伤模型分析了发动机在多次挂载飞行条件下药柱的损伤特性。结果表明,药柱最大等效应变随飞行高度的增大而增大,而挂载飞行速度对药柱结构响应影响相对较小。随挂载飞行次数的增加,药柱产生累积损伤,且损伤值随单次挂载飞行时间和飞行次数的增加而逐渐增大。     

验证板反射冲击波对固体推进剂冲击起爆影响的实验研究

根据隔板实验确定固体推进剂临界爆轰压力时,往往假定被测推进剂药柱是在隔板界面附近起爆,忽视了验证板界面会反射强冲击波的特性,这些假定并没有实验进行验证和事实依据。因此,文中对隔板实验中验证板反射的冲击波对冲击起爆影响进行了实验研究,设计了对比验证实验,对比实验结果清楚地消除了验证板反射冲击波影响的不确定性,为以隔板界面入射冲击波压力作为被测推进剂药柱临界爆轰压力提供了可靠依据。     

某固体火箭发动机点火启动过程三维流场一体化仿真

以某固体发动机的燃烧室和喷管为一体化研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动过程中燃烧室和喷管内燃气的流场特性。发动机药柱上的着火点最初出现在药柱星角尖上,然后向四周扩展;在药柱点火初期,燃气压力波先于火焰峰到达喷管;随着燃烧室内燃气压力升高,压力沿轴向分布逐渐平缓;当喷管进口压力与出口背压比达到某一值时,喷管扩张段内出现一道激波,随着压力比的升高,激波最终移出喷管,燃气流速在喷管出口处达到最大值。