姜 毅,周 帆,張學(xué)文
(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)
固體火箭發(fā)動機由于其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡便、可靠性高、反應(yīng)快速等優(yōu)點成為戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運載火箭等的主要推力裝置,其尾焰是高溫高速的燃?xì)馍淞?容易對發(fā)射環(huán)境產(chǎn)生破壞效應(yīng),尤其是其高溫產(chǎn)生的熱沖擊燒蝕效應(yīng),成為破壞火箭導(dǎo)彈發(fā)射裝置的主要因素。為了延長發(fā)射裝置的使用壽命,降低維護(hù)成本,迫切需要一種成本低廉、操作簡單的方式來降低發(fā)動機尾焰燃?xì)獾臏囟?。而通過注水方式來降低尾焰溫度,減弱熱沖擊燒蝕效應(yīng)已經(jīng)在歐洲[1]、美國[2]的大型發(fā)射場得到應(yīng)用。文中通過實驗方法對固體火箭發(fā)動機尾焰的注水效果進(jìn)行了研究,旨在得出注水對高溫高速燃?xì)馍淞髁鲌鲂螒B(tài)的影響以及降溫效果。
圖3 實驗用固體火箭發(fā)動機燃燒室壓力變化曲線
由于火箭導(dǎo)彈尾焰多為高溫高馬赫數(shù)的燃?xì)馍淞?為使實驗的結(jié)果對此類問題具有代表性,故設(shè)計出口馬赫數(shù)為3.5左右,出口溫度在2000K左右。為滿足出口條件,由一維等熵流的基本公式及藥柱燃燒特性設(shè)計出如圖1、圖2所示的固體火箭發(fā)動機藥柱和發(fā)動機殼體,噴管采用拉瓦爾噴管。該發(fā)動機燃燒室總溫為3000K,總壓為7MPa。燃燒室的壓力(見圖3)和溫度都保持恒定,很好的滿足了設(shè)計要求。
一般的發(fā)動機實驗都是臥式實驗,臥式實驗的優(yōu)勢在于實驗方便安全,便于布置。考慮到注水的流量較大,所受到的重力影響較大,為保證對稱性 實驗采用立式實驗方式,這樣就能夠把重力在主流垂直方向上的影響給排除掉,使得測量結(jié)果更加精確,并且便于高速攝影對實驗過程產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行拍攝。
立式實驗裝置的設(shè)計重點在于實驗臺架的高度。由于實驗臺架過高容易造成整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,造成安全隱患;而高度不夠又會導(dǎo)致射流核心區(qū)內(nèi)的實驗現(xiàn)象不能夠觀測完全。所以必須在滿足實驗觀測要求的情況下使得實驗臺架高度最小。實驗臺架的設(shè)計參照了射流核心區(qū)的長度估算公式,根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的公式:
估計了核心區(qū)長度。其中,x0表示核心區(qū)長度,de表示發(fā)動機噴嘴出口直徑,Mae表示發(fā)動機出口馬赫數(shù)。將設(shè)計馬赫數(shù)Mae=3.5代入式(1)中計算得出核心區(qū)長度考慮到發(fā)動機噴管會從發(fā)動機安裝板往下伸出一段并且留有一定余量,最終設(shè)計上下兩板之間的距離為h=25de,如圖4所示。
圖4 實驗裝置布置圖
為了保證在發(fā)動機工作過程中注水水壓恒定,實驗采用水泵供水的方式進(jìn)行供水。注水系統(tǒng)組成及安裝位置如圖4所示。為了能夠清楚的拍攝注水射流與高溫燃?xì)庵髁鲹交斓暮暧^現(xiàn)象,特別采用兩側(cè)注水的方式,注水方向與水平方向的夾角α=2β,β為噴管的擴張半角。為了保證發(fā)動機燃?xì)馍淞鞯牧鲌瞿軌蛐纬?根據(jù)無注水狀態(tài)下所測得的圖像將兩個注水噴嘴的水射流交匯點定在第一個間斷面和第二個間斷面之間。該交匯點距離發(fā)動機噴嘴出口中心的距離 xw=7de。為了在相同水流量下使得水流的動壓較大,將兩個注水噴嘴均設(shè)計為直柱形噴嘴,口徑相同,且dw=0.16de。兩個噴嘴注水質(zhì)量流率之和qw=2.4qg,qg為發(fā)動機燃?xì)赓|(zhì)量流率。
實驗用主要測試設(shè)備包括高速攝影一臺,紅外熱像儀一臺,這兩者都是非接觸式測量設(shè)備,不會對流型產(chǎn)生影響。
高速攝影采用的是美國生產(chǎn)的Phantom系列V10型號。實驗中為了更清楚地看清流型的細(xì)節(jié),選擇最大分辨率2400×1800,采樣率設(shè)為480幅/s。值得一提的是在實驗中采用了“EDR”——極限動態(tài)范圍曝光控制,這是目前非常先進(jìn)的二次曝光技術(shù),正是由于運用了該項技術(shù)才很好的捕捉到了實驗流場中清晰的波系結(jié)構(gòu)。
紅外熱像儀使用的是日產(chǎn) TVS2000,響應(yīng)波長范圍35.4μ m,采集速度30幅熱圖每秒,分辨率為0.1℃。該熱像儀多次應(yīng)用于發(fā)動機燃?xì)馍淞鞯臏囟葓鰷y試,文獻(xiàn)[4]中根據(jù)以往標(biāo)定得到的數(shù)值來設(shè)定實驗中燃?xì)獾妮椛湎禂?shù)。根據(jù)紅外熱像儀的測溫原理,對不同的物質(zhì)應(yīng)該采用不同的輻射系數(shù),而一次實驗中只能設(shè)定一個輻射系數(shù),所以在所拍攝注水流場的紅外熱像圖中只有無水霧分布的區(qū)域溫度場分布是有效數(shù)據(jù)。
實驗使用高速攝影和紅外熱像儀分別對無注水自由射流和兩側(cè)注水兩種不同狀態(tài)下的流場進(jìn)行了對比拍攝。由于水射流與高溫高速燃?xì)庵髁髦g的相互作用是高度非定常的[5],故無法給出一個注水與燃?xì)庾饔玫亩ǔA鲌鰣D。文中從高速攝影和紅外熱像儀所拍攝的一系列時間序列圖片中選取了最具有代表性的幾張圖片來進(jìn)行分析。
無注水和注水兩種狀態(tài)下流場波系結(jié)構(gòu)及流場形態(tài)主要通過高速攝影測得的圖像來反映,分別見圖5、圖6。固體火箭發(fā)動機噴管出口、水管出口、底板、間斷面、核心區(qū)頂點等位置均標(biāo)于圖上。
無注水自由射流狀態(tài)下發(fā)動機射流核心區(qū)長度與估算結(jié)果大概一致,一共有5個波節(jié)清晰可見(桶形)(見圖5)。該流型比較穩(wěn)定,波系結(jié)構(gòu)變化不大,只在接近底板處流場由于沖擊效應(yīng)出現(xiàn)震蕩。該狀態(tài)下燃?xì)馍淞鞯牡谝?、二個間斷面的位置都基本穩(wěn)定,其中 x1=2.1de,x2=4.9de。
而兩側(cè)注水狀態(tài)下高溫燃?xì)庵髁鞯牟ü?jié)只有兩個清晰可見(見圖6)。第一個間斷面位置與無注水狀態(tài)下保持一致,基本穩(wěn)定在 x′1=2.1de;第二個間斷面由于受到注水影響,在 x′2=4.7~5.1de之間變化。燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)被壓縮成一個等腰三角形的區(qū)域,由于非定?,F(xiàn)象十分明顯,該三角形區(qū)域的頂角并不固定,在0.5β~β之間發(fā)生劇烈變化;與之相對應(yīng)的核心區(qū)長度也出現(xiàn)了較大范圍的變動:x′=7.4~10de。
無注水和注水兩種狀態(tài)下流場的溫度宏觀分布主要通過紅外熱像儀測得的圖像來反映,分別見圖7、圖 8。
圖7 無注水狀態(tài)流場紅外熱像儀圖
在無注水狀態(tài)下可以清楚看到高溫燃?xì)馍淞鞯倪吔缫约案邷睾诵膮^(qū)的分布。從圖7中左半部分可以得出燃?xì)馍淞鞯膴A角大概為β~1.5β,其中高溫區(qū)域的分布與高速攝影圖像中發(fā)光區(qū)域的分布大致一致。
圖8 注水狀態(tài)流場紅外熱像儀圖
從圖8中可以清楚的看到注水后高溫區(qū)域的范圍縮小到只有一個三角形,其形狀和大小與高速攝影所拍攝到的流場形態(tài)是比較接近的。在注水狀態(tài)下,從核心區(qū)往下整個流場都被水霧所籠罩,根據(jù)紅外熱像儀的成像原理,無法正確顯示出水相的溫度,因此只能對核心區(qū)頂點以上的圖像進(jìn)行分析。根據(jù)紅外數(shù)據(jù)測得燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)三角形區(qū)域的頂角為0.7β~0.9β,核心區(qū)長度為x′=8.3~9.5de(由于紅外熱像儀的采樣率遠(yuǎn)低于高速攝影,故所得到的數(shù)據(jù)變化范圍都小于高速攝影的數(shù)據(jù))。由于受到水流的擠壓和汽化吸熱作用,核心區(qū)末端附近的溫度已經(jīng)下降到1000℃以下,這是從紅外熱像儀的所測得的具體數(shù)據(jù)中分析得到的。
對高速攝影和紅外熱像儀所拍攝的圖片進(jìn)行綜合分析可以得知:在實驗的注水條件下,水射流并沒有完全進(jìn)入燃?xì)庵髁?在接觸到燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)外邊界時就已經(jīng)發(fā)生了劇烈的摻混和汽化,致使整個實驗流場都被水霧所充斥。由此可以看出在實驗的注水條件下,注水射流可以依靠自身的動壓進(jìn)入燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū),并且通過摻混和汽化作用減少燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)長度和核心區(qū)面積。
1)在實驗注水條件下,水射流將燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)壓縮成一個頂角在0.5β~β之間變化的等腰三角形區(qū)域,核心區(qū)長度也由原來的18.73變?yōu)?x′=7.4~10de。
2)在實驗注水條件下,水射流并沒有完全進(jìn)入燃?xì)庵髁?在接觸到燃?xì)庵髁鞯暮诵膮^(qū)外邊界時就已經(jīng)發(fā)生了劇烈的摻混和汽化。
3)由于核心區(qū)溫度在整個射流區(qū)域中最高,因此核心區(qū)的長度和面積往往能決定熱沖擊燒蝕作用的大小。在實驗注水條件下,有效的減少了核心區(qū)長度和核心區(qū)面積,從而達(dá)到降溫和減弱熱沖擊燒蝕作用的目的。
4)通過實驗可以發(fā)現(xiàn)燃?xì)馍淞鞯淖⑺鲌鍪且粋€非定常現(xiàn)象十分明顯的多相流場,其流型和形成機理比較復(fù)雜,需要通過多種方式進(jìn)行進(jìn)一步研究和深入探討。
[1]Giordan P,P Fleury,L Guidon.Simulation of water injection into a rocket motor plume,AIAA99-31280[R].1999.
[2]Wolff H,L T Barnes.Survey of special areas of rocket testing,AIAA65-476[R].1965.
[3]張福祥.火箭燃?xì)馍淞鲃恿W(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2004.
[4]王宏,符彬,劉桂生,等.用熱像儀測試發(fā)動機燃?xì)饬鲌鰷囟萚J].固體火箭技術(shù),2003(2):65-67.
[5]Cho C S,A P Gerald.Effect of coolant injection to small-scale diffuser simulating SSM E testing conditions,AIAA2002-4282[R].2002.