嵌金属丝端燃药柱固体发动机水下点火数值模拟研究

为探讨降低固体火箭发动机水下点火初期推力峰值的方法,通过对燃气采用常微分控制方程、对嵌金属丝采用一维传热方程、对端燃药柱采用二维轴对称传热方程、对燃气泡采用球形气泡模型,就嵌金属丝端燃药柱发动机水下点火的工作过程进行了数值模拟研究。算例结果显示,发动机水下点火初期的推力峰值小于稳定工作推力,初始燃面积对推力峰值影响较大,发动机达到稳定工作推力所需时间随药柱直径的减小而迅速减小,发射深度的变化对推力达到稳定状态所需时间影响很小。     

嵌长金属丝药柱燃速测试方法研究

通过对现行多种嵌金属丝药柱燃速测试方法的分析比较,提出了一种新型的嵌金属丝燃速测试方法即标准发动机法。该方法以标准发动机模拟全尺寸发动机嵌金属丝药柱工作工况,用测得的燃速表征全尺寸发动机嵌金属丝药柱的动态燃速。它利用标准发动机在规定工况下的压强-时间曲线,确定嵌金属丝药柱有效长度燃尽所需时间,算得该压强下的燃速。标准发动机法测试精度较高,燃速测试范围较宽,且无特殊设备要求,适合发动机研制单位使用。     

嵌金属丝两级药柱掺混燃烧下的内弹道计算

为了预示嵌金属丝端燃药柱和后翼柱药柱掺混燃烧条件下单室双推力发动机的内弹道性能,首先对高压段和低压段燃烧过程中的复杂燃面变化进行分析,获得不同增速比对应的燃面与基准燃面之间的关系。然后,考虑压强转级对增速比的影响,获得过渡段二者的关系,从而实现了整个燃烧过程增速比的无级变速,进而获得燃面退移规律,据此计算了这种类型装药发动机的内弹道性能。结果表明:计算值与试验曲线吻合良好,计算误差小于5%,证明了计算模型的合理性和程序的可靠性。该方法可用于此类型发动机的内弹道计算与分析。     

固体推进剂药柱在内压载荷下的应力应变分析

采用有限元法，对含人工脱粘层的某固体火箭发动机药柱进行了线粘弹性分析，研究了在工作内压戴荷下人工脱粘层和材料泊松比对药柱应力应变的影响。分析结果表明，增加人工脱粘层面积可导致药柱头部应力增大。增加泊松比也会加大药柱应力。     

发动机点火过程中压强振荡对人工脱粘的冲击分析

针对固体火箭发动机点火过程,采用流固耦合的方法数值模拟了点火过程中发动机内流场以及药柱人工脱粘附近应力应变的变化情况.计算表明,点火初期发动机内部出现激波,并在药柱通道内振荡传播,随时间减弱为压强振荡.压强波动时人工脱粘缝隙的冲击会影响脱粘缝内流场的分布和应力应变,人工脱粘层尖端应力变化与升压梯度变化存在对应关系.激波对人工脱粘缝隙的冲击会引起装药明显变形,但是不会使缝隙增大.     

温度载荷下伞盘深度与脱粘深度对药柱应变的影响

为了有效降低含伞盘固体火箭发动机药柱在温度载荷下的应变水平,基于三维粘弹性有限元分析方法,利用有限元分析软件MSC.Nastran,对不同伞盘深度和人工脱粘层深度的发动机药柱进行了应力-应变分析。研究结果表明,伞盘深度和脱粘深度对伞盘最大Von Mises应变有较大影响,其中伞盘深度对最大Von Mises应变的影响规律随脱粘深度的不同发生明显改变。所得结论可为固体火箭发动机药柱设计提供有益参考。     

含缺陷药柱人工脱粘层前缘应力分析

基于一种发动机燃烧室模型，考虑到推进剂、绝热层和衬层多种材料性能，用有限元法对含缺陷药柱的人工脱粘前缘进行了固化降温和轴向过载两种苛况下的应力分析，考察了四种结构模型，其中三种为含缺陷结构，例如在人工脱粘前缘附近有内聚空洞，对界面应力应变的影响，为发动机药柱完整性分析提供参考。     

大型固体发动机燃烧室立式贮存研究

为研究大型固体发动机对特殊立式贮存环境的适应性,开展了大型固体发动机立式贮存状态的受力分析以及立式贮存试验研究。基于大型固体发动机立式贮存环境条件的分析,综合考虑固化降温、充气内压等因素对发动机立式贮存的影响,开展了联合载荷作用下的计算分析。研究结果表明,发动机立式贮存状态相对初始状态前、后人工脱粘间隙都增大,前人工脱粘间隙增大较多,前人工脱粘开口部位轴向位移最大,中孔径向位移最大;发动机充气后药柱的变形量、前后凸环形药柱界面及药柱中孔处等效应力应变随内压提高有所提高,但前后凸环形药柱界面和药柱中孔处受力状态从三向或两向受拉变为三向受压状态,设计合适的充气内压有利于发动机的长期立式存放。燃烧室立式贮存试验实测了药柱立式贮存后的变形,实测结果与计算结果趋势一致。     

嵌金属丝推进剂燃烧起始阶段增速特性研究

考虑了使用嵌金属丝装药的发动机工作过程中的多种因素,建立了金属丝与药柱、燃气间相互作用的控制方程组,并对方程组进行了数值求解,得到了嵌金属丝推进剂在燃烧起始阶段,增速比随时间的详细变化过程。结果表明,金属丝的热扩散率、熔点、直径和黑度以各自不同的方式影响金属丝的增速效果,熔点相对较低的金属丝可能会在内弹道曲线的初始阶段形成一个轻微的压强峰,固有燃速较低、着火温度较低的推进剂对嵌入金属丝较为敏感。文中数值方法计算量小,结果可靠,适于工程应用。     

低温点火条件下固体发动机组合药柱的粘接界面力学响应分析

为了研究组合药柱结构在低温点火工况下粘接界面的损伤脱粘,以某型固体发动机为研究对象,基于内聚力模型,分析了组合药柱结构低温点火下的力学响应特性及界面损伤演化情况。结果表明,在低温点火工况下,壳体/包覆层间隙无压强时,组合药柱变形大,由于药柱所受应力超过材料极限性能,导致界面结构破坏,续航段/增速段药柱界面为结构损伤薄弱处。同时,针对续航段/增速段药柱界面进行研究,分析了界面力学性能及续航段药柱模量对界面损伤分布的影响。结果表明,随着界面强度、断裂能的提高,药柱结构完整性会显著改善,而随着界面刚度的增大,仍会出现界面脱粘现象;降低续航段药柱瞬时模量,界面脱粘范围减小,但同时续航段药柱的等效应变会显著增大。     

固体火箭发动机含裂纹药柱应力场有限元模拟的新方法

针对研究固体火箭发动机药柱出现裂纹前、后药柱内应力/应变场的需要,提出利用奇异单元和生死单元技术模拟含三维裂纹药柱的新方法,并利用该方法对固体火箭发动机三维非贯穿裂纹进行模拟,分析药柱裂纹附近区域应力分布的规律。结果表明,该方法便捷有效,尤其适用于对比研究裂纹、脱粘等药柱缺陷引起的应力释放和应力分布的变化。     

嵌入金属丝复合推进剂中止燃烧试验成功

我厂在研制产品过程中,地面试验出现压力爬升、壳体烧穿与爆炸等现象。我厂试验工作者自行设计试验装置,采用实心药柱嵌入金属丝复合推进剂进行中止燃烧,实现了单室双推力的设计方案。通过试验,验证设计燃面变化和解决上述故障原因,摸清了装药包复层在发动机工作状态下的工作性能,发动机熄火正常,残药完整,包复层不脱落破碎。     

某嵌金属丝药柱主要装药设计参数的影响

利用Visual Basic对SolidWorks进行了二次开发,开发了用于某型号嵌金属丝装药的计算软件。计算和试验结果表明,该软件计算精度较高,可满足工程计算的需要;同时,表明该类嵌金属丝装药在一级大推力阶段中普遍会存在压强峰(推力峰)。为了获得更好的内弹道性能,文中分析了该类装药的主要设计参数对装药计算的影响。结果表明,槽宽、未包覆柱段长度以及金属丝排列直径是影响性能稳定的主要参数,而燃速比和槽长影响相对较小;此外,锥形凸台的设计对性能的稳定性影响也很大。其结论为该类型的装药设计提供了有效参考。     

固体发动机内弹道计算不确定性研究

建立了固体发动机一维混合内弹道计算模型,提出了提高内弹道预估精度的工程方法.采用系统辨识法建立燃速模型、计算药柱初温分布和预估药柱真实燃面,建立了内弹道性能散布分析方法.算例应用研究表明,燃速模型参数不确定性是影响发动机内弹道计算精度的主要因素,除燃速模型参数外,对总冲变化的显著影响因子依次是燃气比热容比、推力系数因子、特征速度因子和药柱密度,对工作时间变化的显著影响因子依次是特征速度因子、药柱初温和药柱密度.     

固体火箭发动机燃烧室过载下的三维应力分析

采用三维线性粘弹性有限元模型,对固体发动机药柱、绝热层和壳体的应力场进行了分析,得出了固体发动机在轴向和横向过载作用下的应力。结果表明,药柱的前后端、翼槽和壳体-绝热层交界面均是产生裂纹或脱粘的危险部位,为固体发动机的结构完整性分析和结构设计提供了依据。     

航空喷气通用公司的高能X—射线照相设备

应用固体火箭发动机的X—射线照相技术浇铸推进剂药柱中出现的裂纹或推进剂与衬里之间的脱粘以及在推进剂药柱内存在的细小气孔、气泡等都会引起火焰压力峰局部升高。这会导致不希望的发动机压力升高。产生这种现象的原因是由于推进剂燃烧面积增大所造成的。压力升高会改变正常的推力—时间和压力—时间曲线。甚至于压力升高到超过了允许的范围而使结构破损。     

单室双推力固体发动机静止试验分析方法

提出了一种根据静止试验压强，推力一时间曲线分析串装药柱单室双推力固体发动机性能的方法，用以计算其在助推段与续航段的特征速度Ｃ，比冲Ｉ，燃去药柱质量ｍ，和推进剂燃速ｒ等参数。此方法比实例验证可行，从而为完善这类发动机的性能分析提供了依据。     

自由装填式固体火箭发动机药柱低温点火结构完整性分析

利用三维有限元方法,通过热-机耦合,分析一种自由装填式固体火箭发动机药柱从药柱固化降温到低温点火整个过程中发动机的温度场、总位移、等效应力和等效应变的变化情况,得到了固化降温和点火升压过程中药柱/壳体有无粘接两种情况下发动机的受力情况的不同,并根据最大应变能理论,分析了两种情况发动机药柱的结构完整性;得出了在温度和压强双重载荷下,模量、泊松比、药柱/壳体粘接高度等参数对发动机药柱结构完整性的影响规律,表明该型发动机药柱/壳体粘接高度不宜超过40 mm。     

固体发动机界面结构试件脱粘健康监测研究

以复合材料壳体和绝热层脱粘模型试件为对象,利用粘贴于壳体外表面的压电主动激励传感器,基于高频机电阻抗方法,对模拟药柱/绝热层界面脱粘的结构健康状态监测进行了数值仿真和实验研究,得出了不同脱粘损伤工况下的导纳频谱曲线,计算了能表征脱粘程度的平均绝对偏差损伤指标。结果表明,高频机电阻抗方法可利用粘贴于壳体外表面的压电传感器有效地识别内部结构的界面脱粘,相比于传统检测方法,能实现实时的结构健康监测,损伤指标能量化表征脱粘程度,实验采用的两种压电传感器中,MFC传感器较PZT传感器更适合于曲面固体发动机壳体脱粘检测,为开展实际工况下的固体发动机药柱结构界面脱粘损伤监检测工作提供理论与技术支撑。     

嵌金属丝推进剂的燃烧过程

为了解嵌金属丝推进剂的燃速沿金属丝的变化,并求出控制这类推进剂燃速的因素,对嵌银丝双基推进剂作了研究。沿金属丝的燃速主要取决于金属丝种类、尺寸和推进剂组分。用具有各种燃烧特性的双基推进剂,测量了沿银丝的燃速,并研究了光焰区、暗区和沸腾区的影响。利用微型热电偶测量了推进剂中靠近银丝部分的温度分布。根据试验结果,明确了沿银丝的燃速控制因素是沸腾区的温度梯度和暗区的温度。位于燃面上方的光焰区既不影响推进剂的燃速,也不影响沿银丝的燃速。