林敬周，曹 程，吳彥森，張紹武

（1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引 言

在運(yùn)載火箭級(jí)間熱分離過程中，二級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)（主機(jī)）和游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（游機(jī)）同時(shí)工作產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈬娏鲿?huì)對(duì)級(jí)間段內(nèi)的環(huán)境產(chǎn)生很大的影響［1－3］，采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的手段研究多噴流干擾條件下級(jí)間熱環(huán)境中壓力、溫度和熱流分布規(guī)律不僅可以為運(yùn)載火箭一、二級(jí)級(jí)間分離過程的熱環(huán)境條件預(yù)示提供參考，對(duì)級(jí)間段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也具有重要意義。在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的Φ1m高超聲速風(fēng)洞中采用了微型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的燃?xì)饬髯鳛閲娏鹘橘|(zhì)的熱噴流模擬技術(shù)模擬了運(yùn)載火箭多噴流干擾條件下的級(jí)間熱環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)載火箭的1個(gè)主機(jī)和4個(gè)游機(jī)共5機(jī)噴流的同時(shí)模擬，并對(duì)級(jí)間壓力、溫度和熱流測(cè)量試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，獲得了不同級(jí)間距、不同排燃窗開口數(shù)量情況下級(jí)間段內(nèi)兩級(jí)封頭表面的熱流、溫度及壓力分布特性。

1 試驗(yàn)?zāi)M方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

Φ1m高超聲速風(fēng)洞是一座暫沖吹吸式高超聲速風(fēng)洞。已配置了出口直徑為1m、名義馬赫數(shù)為3、4、5、6、7、8的型面噴管；風(fēng)洞模擬高度20～60km（不同馬赫數(shù)對(duì)應(yīng)的模擬高度有所不同），配置了96通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、Φ500mm紋影系統(tǒng)、四自由度的迎角機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、DTC initium電子掃描壓力測(cè)量系統(tǒng)以及其它輔助測(cè)控系統(tǒng)。該風(fēng)洞建成后，主要從事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和航天飛行器的氣動(dòng)力、噴流干擾、級(jí)間分離等模擬試驗(yàn)。

1.2 外流模擬

運(yùn)載火箭在飛行條件下的外流場(chǎng)利用Φ1m高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)來模擬，主要模擬參數(shù)為外流馬赫數(shù)M∞和飛行高度H［4］，風(fēng)洞來流參數(shù)見表1，其中P0、Rel分別表示風(fēng)洞前室總壓和來流單位雷諾數(shù)。

表1 風(fēng)洞來流參數(shù)Table 1 External flow conditions

1.3 內(nèi)流模擬

內(nèi)流模擬采用了微型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的燃?xì)饬髯鳛閲娏鹘橘|(zhì)的熱噴流模擬技術(shù)，通過研制兩臺(tái)獨(dú)立的微型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)載火箭主機(jī)和4個(gè)游機(jī)共5機(jī)多噴流干擾的同時(shí)模擬。

由于研究的重點(diǎn)是級(jí)間熱環(huán)境問題，因此在采用微型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流來模擬運(yùn)載火箭液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流時(shí)，首先是在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管幾何相似的基礎(chǔ)上，保證燃燒室壓力和溫度的模擬，然后通過調(diào)整推進(jìn)劑配方使比熱比和燃?xì)猱a(chǎn)物盡量近似，由此獲得了噴流馬赫數(shù)、噴流壓比和噴流溫度的近似模擬，從而在地面風(fēng)洞試驗(yàn)中較為真實(shí)地模擬了實(shí)際飛行時(shí)的級(jí)間熱環(huán)境。

在噴流參數(shù)校測(cè)中，噴流總壓采用耐高溫高壓的壓阻式壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，通過調(diào)整推進(jìn)劑尺寸使燃燒室壓力達(dá)到目標(biāo)值；噴流總溫由放置于噴管出口處的一字型總溫排架測(cè)得，測(cè)量元件為鎢錸3－鎢錸25熱電偶；噴流馬赫數(shù)則由皮托排架（放置于噴管出口處）測(cè)得的皮托壓力與噴流總壓換算后得到。

圖1給出在大氣中調(diào)試時(shí)的主機(jī)和游機(jī)噴流照片。表2分別給出主機(jī)和游機(jī)的噴流參數(shù)，其中Mj、Pj／P∞、T0j分別為噴流馬赫數(shù)、噴流壓比和噴流總溫。

圖1 大氣中調(diào)試時(shí)的主機(jī)和游機(jī)Fig.1 Testing of main engine and vernier engines in atmosphere environment

表2 噴流參數(shù)Table 2 Internal flow conditions

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕梢患?jí)身段、二級(jí)身段、二級(jí)底封頭、一級(jí)前封頭、排燃窗、主機(jī)、游機(jī)等幾部分組成，其中二級(jí)采用腹支撐方式、一級(jí)采用尾支撐方式（圖2（a））。

為研究排燃窗總排燃面積不變，開口數(shù)量不同對(duì)級(jí)間熱環(huán)境帶來的影響，設(shè)計(jì)了兩種開孔數(shù)量的排燃窗（圖2（b）），其中排燃窗A開口數(shù)量是排燃窗B的兩倍。

試驗(yàn)時(shí)一、二級(jí)同軸迎角α為0°，無量綱化后的分離距離X／D分別為0、0.1、0.3、0.5、1.0。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Test model

2.2 測(cè)試內(nèi)容及方法

為研究一、二級(jí)分離過程中的級(jí)間熱環(huán)境，在一級(jí)前封頭的表面按一定規(guī)律布置了壓力PAi、溫度TAi、熱流qAi測(cè)點(diǎn)各12個(gè)（下標(biāo)i＝1～n表示測(cè)點(diǎn)序號(hào)），中心點(diǎn)布置了qA12測(cè)點(diǎn)，PA12，TA12布置在靠近qA12的上下兩點(diǎn)。二級(jí)底封頭上布置壓力PBi、溫度TBi、熱流qBi測(cè)點(diǎn)各10個(gè)，且與一級(jí)前封頭上的同類測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。圖3（a）以一級(jí)前封頭上熱流測(cè)點(diǎn)為例給出測(cè)點(diǎn)布置順序示意圖，壓力、溫度測(cè)點(diǎn)布置順序與熱流測(cè)點(diǎn)相同。

由于級(jí)間段受高溫高壓噴流的影響，所處環(huán)境惡劣，因此在測(cè)量元件的選擇和使用上給予了重點(diǎn)關(guān)注：采用抗沖刷和量程均能滿足要求且外徑為3mm的同軸熱電偶（圖3（b））作為熱流傳感器測(cè)量兩級(jí)封頭的表面熱流，測(cè)量范圍100kW／m2～20MW／m2，測(cè)量精度優(yōu)于20%；采用鎢錸3－鎢錸25熱電偶（圖3（c））測(cè)量兩級(jí)封頭的表面溫度，測(cè)量范圍為0～2500℃，測(cè)量精度優(yōu)于1%。采用壓阻式壓力傳感器測(cè)量兩級(jí)封頭的表面壓力，測(cè)量精度優(yōu)于0.3%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

圖4給出不同級(jí)間距、不同排燃窗、熱噴流場(chǎng)典型紋影照片。二級(jí)多噴流啟動(dòng)后，直接沖向一級(jí)前封頭，受到前封頭滯止作用，大部分氣流從排燃窗排出，還有一小部分氣流返回二級(jí)模型底部，由級(jí)間間隙排出。二級(jí)多噴流沖擊在一級(jí)的前封頭上會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的粘性／激波干擾流場(chǎng)，從紋影顯示可見噴流在一級(jí)前封頭形成的弓形激波，并且強(qiáng)度隨級(jí)間距增大而減弱。由于排燃窗附近的高溫流場(chǎng)光亮過強(qiáng)，掩蓋掉了其它流場(chǎng)現(xiàn)象，由一級(jí)返回后從級(jí)間間隙排出的氣流流動(dòng)現(xiàn)象不明顯。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 壓力分布規(guī)律

圖5（a）和圖5（b）分別給出 A、B兩種不同排燃窗、級(jí)間距X／D＝0時(shí)一級(jí)前封頭和二級(jí)底封頭上各測(cè)點(diǎn)以噴流靜壓Pj為參考量無量綱化后的壓力分布曲線。從圖中可以看出級(jí)間距X／D＝0時(shí)，由于一級(jí)前封頭正對(duì)著噴流，直接感受噴流沖擊，中心附近的測(cè)點(diǎn)值明顯高于邊緣值，而二級(jí)底封頭各測(cè)點(diǎn)主要受返回的氣流影響，因此在量值上遠(yuǎn)小于一級(jí)前封頭上的測(cè)點(diǎn)值。排燃窗總排燃面積保持不變，開口數(shù)量減小即單個(gè)窗口排燃面積增大，在級(jí)間距X／D＝0時(shí)表現(xiàn)為對(duì)一級(jí)前封頭上的壓力影響不大，壓力值稍有減小，但對(duì)二級(jí)底封頭影響較為顯著，壓力值明顯增大。

圖5（c）給出排燃窗A一級(jí)前封頭上靠近封頭邊緣的測(cè)點(diǎn)PA7、靠近中心的測(cè)點(diǎn)PA12和兩點(diǎn)之間的PA4三點(diǎn)隨級(jí)間距的變化規(guī)律。從圖中可以看出小級(jí)間距時(shí)（X／D≤0.3），靠近中心的測(cè)點(diǎn)值顯著高于邊緣點(diǎn)，而在X／D＝0.5時(shí)則出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，表現(xiàn)出邊緣點(diǎn)值高于中心附近點(diǎn)的趨勢(shì)，隨著級(jí)間距的增大，到了X／D＝1.0時(shí)又表現(xiàn)出與小級(jí)間距時(shí)相同的特性。

3.2.2 溫度分布規(guī)律

圖6（a）和（b）分別給出A、B兩種不同排燃窗、級(jí)間距X／D＝0時(shí)一級(jí)前封頭和二級(jí)底封頭上各測(cè)點(diǎn)的溫度分布曲線。受噴流直接影響，一級(jí)前封頭各測(cè)點(diǎn)溫度集中在2200～2600K之間變化，且越靠近封頭中心的溫度越高，二級(jí)底封頭由于沒有直接受到噴流的沖擊，測(cè)點(diǎn)溫度與一級(jí)前封頭相比顯著降低（320～700K），可見發(fā)動(dòng)機(jī)噴流大部分從排燃窗排出，只有極少部分氣流會(huì)返回底部，對(duì)二級(jí)底部產(chǎn)生影響。排燃窗的不同，在級(jí)間距X／D＝0時(shí)與壓力分布表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律，即排燃窗開口數(shù)量減少一級(jí)前封頭上的溫度有所減小，二級(jí)底封頭溫度明顯增加。

圖6（c）給出排燃窗A一級(jí)前封頭上TA7、TA4、TA12三點(diǎn)溫度隨級(jí)間距的變化規(guī)律。可以看出越靠近一級(jí)前封頭中心的測(cè)點(diǎn)受級(jí)間距變化的影響越大，隨著級(jí)間距的增大TA12顯著降低。級(jí)間距X／D＝0.5時(shí)溫度分布也出現(xiàn)拐點(diǎn)，X／D≥0.5邊緣測(cè)點(diǎn)TA7和中心附近測(cè)點(diǎn)TA12溫度基本一致，而介于兩點(diǎn)之間的TA4測(cè)點(diǎn)溫度則更高。

3.2.3 熱流分布規(guī)律

圖7（a）和圖7（b）分別給出 A、B兩種不同排燃窗、級(jí)間距X／D＝0時(shí)一級(jí)前封頭和二級(jí)底封頭上各測(cè)點(diǎn)以駐點(diǎn)熱流qA12為參考量無量綱化后的熱流分布曲線。與壓力、溫度分布特點(diǎn)相同，一級(jí)前封頭上各測(cè)點(diǎn)熱流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二級(jí)底封頭上各測(cè)點(diǎn)熱流值，相差一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，越靠近封頭中心，熱流值越大。兩種排燃窗一級(jí)前封頭上的熱流分布規(guī)律表現(xiàn)出較好的一致性，且熱流值大小除個(gè)別跳點(diǎn)外，相差不多，而對(duì)于二級(jí)底封頭上各測(cè)點(diǎn)的熱流值則明顯表現(xiàn)為開口數(shù)量減少，熱流值增大。

圖7（c）給出排燃窗 A一級(jí)前封頭上qA7、qA4、qA12三點(diǎn)隨級(jí)間距的變化規(guī)律。與溫度分布規(guī)律一樣，越靠近一級(jí)前封頭中心的測(cè)點(diǎn)受級(jí)間距變化的影響越大，隨著級(jí)間距的增大qA12顯著降低，而qA4則表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，拐點(diǎn)依然出現(xiàn)在級(jí)間距X／D＝0.5的狀態(tài)，X／D≥0.5邊緣測(cè)點(diǎn)qA7和中心附近測(cè)點(diǎn)qA12熱流基本一致，而介于兩點(diǎn)之間的qA4測(cè)點(diǎn)熱流則更高。

4 結(jié) 論

在Ф1m高超聲速風(fēng)洞中采用熱噴流模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)載火箭多噴流干擾條件下的級(jí)間熱環(huán)境模擬，獲得了一級(jí)前封頭和二級(jí)底封頭表面的熱流、溫度及壓力分布特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，級(jí)間距越小，分離環(huán)境越惡劣，一級(jí)前封頭表面壓力、溫度、熱流分布越不均勻，而二級(jí)底封頭由于沒有受到噴流的直接沖擊，壓力、溫度和熱流值均遠(yuǎn)小于一級(jí)前封頭，受熱噴流影響相對(duì)較??；級(jí)間距X／D＝0時(shí)，排燃窗總排燃面積保持不變，開口數(shù)量變化對(duì)一級(jí)前封頭上的壓力、溫度、熱流影響不大，但對(duì)二級(jí)底封頭影響較為明顯，隨著開口數(shù)量的減少，二級(jí)底封頭上壓力、溫度、熱流值均有所增大。采用本項(xiàng)模擬試驗(yàn)技術(shù)獲得的試驗(yàn)結(jié)果可以為多噴流干擾條件下的級(jí)間熱環(huán)境的預(yù)示提供參考，采用同軸熱電偶測(cè)量級(jí)間區(qū)域熱流的方法是可行的，但熱流結(jié)果精準(zhǔn)度的提高以及熱流模擬準(zhǔn)則還需進(jìn)一步探索和研究。

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［2］韓松，郭鳳美.一種新型級(jí)間分離技術(shù)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2002，23（4）：47－51.

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［4］惲起麟.實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1991.