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固体火箭发动机压强-时间曲线的特征

时间:2023-02-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:初始压强峰pm的存在,给发动机设计带来了困难:首先,pm数值较大时,提高了燃烧室的强度负荷, 导致发动机结构质量增加。然而, 适当的初始压强峰也有积极的一面, 如增加炮口速度, 从而提高无控火箭密集度等。一般情况下, 在发动机设计时应将初始压强峰pm控制在适当范围之内。影响初始压强峰pm的因素主要有侵蚀燃烧效应、点火药量和发动机结构等。因此, 发动机工作初期的压强升降导致了初始压强峰的出现。

图8-16所示是等面燃烧装药固体火箭发动机零维p-t曲线的典型形状, 该曲线有以下特点:

(1) 上升段、 平衡段和后效段特征分明。

(2) 在发动机工作的初期出现压强峰pm,称为初始压强峰。

(3) 后效段有明显的拖尾, 这是燃气的排气流动现象。

初始压强峰pm的存在,给发动机设计带来了困难:首先,pm数值较大时,提高了燃烧室的强度负荷, 导致发动机结构质量增加。 由于pm持续的时间非常短,在大部分工作时间内压强都比较低, 因而使材料强度的储备过大; 其次, 初始压强峰使发动机内弹道的重现性变坏。然而, 适当的初始压强峰也有积极的一面, 如增加炮口速度, 从而提高无控火箭密集度等。 一般情况下, 在发动机设计时应将初始压强峰pm控制在适当范围之内。

图8-16 p-t曲线特征

影响初始压强峰pm的因素主要有侵蚀燃烧效应、点火药量和发动机结构等。点火药量越大, 初始压强峰越高, 所以必须严格控制点火药量, 通常先根据经验选取用量, 再通过多次实验验证和调整得到合理的值。 在发动机喷管喉部或出口截面上放置防潮密封塞, 有的发动机点火装置放置在喉部, 装药点火后需要一定的压强才能打开它们, 有利于装药的可靠点燃, 并可提高内弹道的重现性, 但同时也会进一步加大初始压强峰, 因此必须合理控制打开密封塞的压强。

由侵蚀燃烧效应引起的初始压强峰又称侵蚀压强峰, 图8-16中的虚线表示φ( )=1即无侵蚀时的p-t曲线。 当存在侵蚀燃烧效应即φ( )>1时, 为什么会引起压强峰呢? 由p-t曲线微分方程(8-10)或式(8-77)~式(8-80)可以看出, 压强的变化取决于推进剂的燃气生成量 (使压强升高) 和通过喷管流出去的燃气量 (使压强降低)。 在发动机工作初期, 装药通道最小, 侵蚀燃烧效应最严重, 由于燃气生成量的增大而引起了压强升高。 随着燃烧的持续进行, 促使压强下降的因素也在增长之中: 一是压强升高时相应的喷管质量流率升高, 使压强趋向于降低; 二是燃烧过程中装药通道的通气面积扩大, 使φ( ) 减小, 因而燃气生成量也减小, 从而使压强降低。 因此, 发动机工作初期的压强升降导致了初始压强峰的出现。

侵蚀燃烧效应对燃烧室压强的影响程度可用峰值比rp来度量,定义为

式中,peq0为同一面喉比时与侵蚀压强峰对应时刻的无侵蚀平衡压强,如图8-16所示。

由平衡压强公式 (8-22) 可得

对式 (8-89) 取对数并微分, 有

可见,峰值比rp的变化量是侵蚀函数变化量的1/ (1-n) 倍。所以,降低推进剂的燃速压强指数n、 减小通气参量 和喉通比J值 (一般不超过0.5) 以控制侵蚀燃烧效应, 是减小侵蚀压强峰的有效途径。 但是, 减小 和J值必然降低发动机的装药装填密度, 从而使火箭的总体性能变坏。 因此, 发动机总体设计必须权衡综合性能, 即在燃烧室壳体强度允许条件下应尽量增大æ和J值以获得足够大的装药装填密度, 同时又不致引起太高的初始压强峰。 图8-17给出了几个成功的发动机设计方案, 它们都能起到既增大装药装填密度, 又可减小侵蚀效应的作用。

图8-17 减小侵蚀压强峰的装药结构

(a) 变尺寸分段装药; (b) 锥形内孔装药; (c) 两端喷气发动机

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