自由装填固体火箭发动机装药点火冲击特性研究

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1.1选题的目的及意义

火箭发动机技术作为航天运输和导弹发射的核心技术之一，它是一个国家科技实力的体现，代表了在航天和军事领域的技术水平。固体火箭发动机在国防事业中备受重视并得到了大力发展，广泛应用于导弹和火箭武器中。对固体火箭发动机来说，推进剂装药、燃烧室壳体、喷管、点火装置都有可能存在不同程度的缺陷，这些缺陷会影响固体火箭发动机的性能[1]。因此在固体火箭发动机的设计阶段，有必要大力开展发动机的结构完整性分析，装药药柱的结构完整性是其中的关键技术之一[2]。lf0032

固体推进剂装药药柱是固体火箭发动机的重要组成部分，部分推进剂为直接在燃烧室内浇铸而成，由于所处环境的复杂性也使得固体火箭发动机推进剂的性能考核更加重要。推进剂装药中的缺陷最为常见，缺陷的成因最为复杂，产生的危害也最大[3]。尤其是固体火箭发动机在点火瞬间形成的高压、高温、高速的燃气射流对发动机装药的结构完整性有十分重要的影响，点火冲击载荷可能破坏装药的完整结构和内弹道性能。国内外对固体火箭发动机中缺陷的研究[4、5]均发现在固体推进剂装药的缺陷中，点火冲击载荷是使发动机性能异常的最重要因素。

对固体火箭发动机点火载荷的研究国内外都做出了大量的研究并取得了相关的结论。由于火工试验存在着火工试验危险性高、重复性差等缺点，极大地浪费时间及财力[6]。而合理的模拟实验是理论研究和产品研制最为有效的方法之一。研制一个火箭弹及其零部件，完全依靠实验而不进行模拟研究将极大地浪费时间及财力。特别是极端条件下的实验，难于对结果进行彻底、全面的分析，从而影响火箭发动机的设计及改型[7]。因此为了能够更好地分析点火载荷对药柱结构完整性的影响，设计了冷流冲击模拟装置进行点火载荷模拟试验。冷流冲击装置主要利用高压压缩氮气对固体火箭发动机推进剂进行冷流冲击，分析高压气体在火箭发动机内的流动，模拟点火时高压气体对火箭发动机的冲击，为冲击载荷条件下装药结构应变的测量提供实验条件，为数值分析提供验证数据，建立冷流冲击的实验研究方法。

1.2固体火箭发动机点火冲击研究现状

南京理工大学机械学院的周长省、鞠玉涛等老师，采用数值仿真技术针对自由装填固体火箭发动机装药在点火燃气冲击作用下的药柱载荷特性进行了分析研究[8]，以期探讨这种装药结构在点火初期燃气冲击载荷的特性和影响因素，研究结果表明，点火压强越大、点火具喷口直径越大、点火具出口端面与药柱端面距离越大，点火初期冲击载荷作用越剧烈。这一研究结果为装药结构完整性分析研究和该类发动机点火具设计提供依据。另外，刘君, 徐春光对固体火箭发动机点火过程与装药缺陷相互作用机理进行了研究[9]。他们从发动机宏观和装药狭缝微观两种尺度进行数值模拟, 提出一种新的研究思路: 研究结论对于了解点火增压过程对研究裂纹扩展机理和建立相应的固体火箭发动机质量评判准则很有意义。中国兵器工业第203研究的易磊、寇军强等，研究了在满足固体火箭发动机总体设计和推进剂设计一定的条件下，为了找出点火过程中导致冲击过载的影响因素，进行了若干不同状态的点火冲击试验研究[10]，并进行了点火冲击过载频谱分析。点火冲击是产生过载的直接原因，在点火瞬间点火药产生大量高温燃气冲击在装药表面，使装药及发动机壳体产生震动。试验研究通过测试不同点火过程中发动机壳体过载的大小，对过载的影响因素进行分析，基本验证了不同点火状态下的冲击过载情况。试验研究结果表明：在点火具状态不变的情况下，点火压强随着点火药量的增大而增大；在点火药量较少、黑火药粒度较小的情况下，有利于减小点火冲击过载。