固体火箭发动机点火冲击研究现状

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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。60811

自由装填药柱固体火箭发动机在点火过程中容易出现药柱结构完整性破坏,南京理工大学的孟红磊, 鞠玉涛, 郑健围绕该问题展开研究[11]。利用有限元方法分析了自由装填星孔装药内外压差作用下药柱应力应变,同时分析了包覆层的弹性模量及推进剂泊松比对应力应变的影响。结果表明,应力应变值随着压差的增大直线上升,另外包覆层的弹性模量及药柱的泊松比对应力应变值影响很大,包覆层弹性模量越大,药柱应力越小,药柱泊松比越大,药柱应力越小。为减小应力应变,一方面可以通过发动机结构设计以减小内外压差,另一方面可以选择较高弹性模量的包覆层和高泊松比的推进剂材料。补偿垫是自由装填式固体火箭发动机(SRM)中的一个重要部件。中国兵器工业第203研究所和西北工业大学燃烧、流动与热结构国家级重点实验室的王厚庆、寇军强等，基于X射线实时荧屏分析系统(RTR), 对战术导弹固体火箭发动机内补偿垫在点火冲击作用下的动态运动过程进行了实时监测, 利用MATLAB 软件对截取的连续图像进行了增强、滤波处理, 并提取边界, 获得补偿垫压缩及反弹过程[12]。研究结果可为药柱及包覆层的力学性能设计提供参考。中国人民解放军95972部队、国防科技大学航天与材料工程学院宇航系和第二炮兵工程学院二系的崔小强、白晓征等，采用基于非结构动网格的有限体积方法的流体计算,采用分段精细时程积分方法的结构计算, 求解结构动力学有限元方程, 流体计算和固体计算之间采用松耦合在不断运动的交界面上进行作用力和运动特性的传递, 对固体火箭发动机点火形成的冲击波与药柱缺陷形成的弹性裂纹之间相互耦合作用过程进行了模拟[13]。研究表明, 以前采用刚体模型得到的研究结论仍有指导意义。国防科技大学航天与材料工程学院的钟涛、张为华等，采用守恒型N-S方程描述了集点火器、燃烧室和喷管于一体的数学仿真模型, 研究大长径比固体火箭发动机点火瞬态特性[14],计算结果表明, 点火期间, 发动机内除了压强急升之外,还存在振荡和拍击现象。国防科技大学的葛爱学[15]通过对固体火箭发动机点火动力学过程的理论分析和数值模拟,开展固体火箭发动机点火增压过程与装药裂纹相互作用机理的研究,深入研究点火过程中装药裂纹内部微观动力学特性及其对发动机宏观内弹道特性的影响规律。哈尔滨工程大学航天工程系的郜冶、论文网胡伟为深入了解点火初期药柱表面的压强振荡情况，采用计算流体力学软件FLUENT 对固体火箭发动机喷管堵盖打开前的点火增压过程进行了轴对称数值计算，探讨了潜入喷管背部容腔对压强振荡的影响[16]。研究结论为药柱裂纹的扩展研究及固体火箭发动机的潜入喷管设计提供参考。西北工业大学航天学院,燃烧、流动和热结构国家级重点实验室的孙得川、王　贺[17]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。中国空空导弹研究院的张亮，邢国强基于三维粘弹性有限元模型，应用MSC /NASTRAN 软件对某发动机分别在固化降温、燃气内压载荷条件下的装药结构完整性进行分析，并对该发动机在固化降温、燃气内压两种载荷联合作用下的装药结构完整性进行评估[18]。固体推进剂具有粘弹性和近似不可压缩性，其材料参数和外激励过程通常不能精确给出。因此，进行固体火箭发动机药柱的不确定结构分析具有重要的理论价值和工程实际意义。有学者[19]建立了固体药柱不确定结构分析的粘弹性随机有限元方法和非概率方法，研究了药柱的结构可靠度计算问题以及不同载荷作用下具有随机参数药柱的结构响应问题，为进一步研究和分析实际药柱结构奠定了基础。