袁 軍，任 萍，何高讓

(1.海軍裝備部，西安 710025;2.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室立式貯存研究①

袁 軍1，任 萍2，何高讓2

(1.海軍裝備部，西安 710025;2.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

為研究大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)特殊立式貯存環(huán)境的適應(yīng)性，開(kāi)展了大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)立式貯存狀態(tài)的受力分析以及立式貯存試驗(yàn)研究?；诖笮凸腆w發(fā)動(dòng)機(jī)立式貯存環(huán)境條件的分析，綜合考慮固化降溫、充氣內(nèi)壓等因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)立式貯存的影響，開(kāi)展了聯(lián)合載荷作用下的計(jì)算分析。研究結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)立式貯存狀態(tài)相對(duì)初始狀態(tài)前、后人工脫粘間隙都增大，前人工脫粘間隙增大較多，前人工脫粘開(kāi)口部位軸向位移最大，中孔徑向位移最大;發(fā)動(dòng)機(jī)充氣后藥柱的變形量、前后凸環(huán)形藥柱界面及藥柱中孔處等效應(yīng)力應(yīng)變隨內(nèi)壓提高有所提高，但前后凸環(huán)形藥柱界面和藥柱中孔處受力狀態(tài)從三向或兩向受拉變?yōu)槿蚴軌籂顟B(tài)，設(shè)計(jì)合適的充氣內(nèi)壓有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期立式存放。燃燒室立式貯存試驗(yàn)實(shí)測(cè)了藥柱立式貯存后的變形，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致。

大型固體發(fā)動(dòng)機(jī);藥柱;立式貯存;應(yīng)力;應(yīng)變

0 引言

固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱完整性一致倍受設(shè)計(jì)人員關(guān)注，在此方面進(jìn)行了大量的研究，如文獻(xiàn)［1－5］對(duì)固化降溫、點(diǎn)火升壓、臥式放置等狀態(tài)藥柱完整性進(jìn)行了詳細(xì)研究。文獻(xiàn)［1］采用三維熱粘彈性大變形增量本構(gòu)關(guān)系，對(duì)組合藥柱結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行計(jì)算，獲得了藥柱低溫點(diǎn)火破壞的原因。文獻(xiàn)［2］采用響應(yīng)面法與數(shù)值模擬方法，分析了藥柱的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可靠度。文獻(xiàn)［4］基于損傷的粘彈性材料積分蠕變型本構(gòu)關(guān)系，建立了求解應(yīng)力應(yīng)變和損傷變量的一種新型增量型有限元法，對(duì)固化降溫導(dǎo)致的損傷進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［5］主要進(jìn)行了藥柱結(jié)構(gòu)在高過(guò)載下的結(jié)構(gòu)可靠性，公路運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境下的隨機(jī)疲勞分析。立式貯存工況是固體發(fā)動(dòng)機(jī)的一種特殊使用工況，此狀態(tài)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需承受特有的立式自重載荷。由于固體推進(jìn)劑為粘彈性物質(zhì)，大型發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期放置時(shí)可能由于自重影響較大而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致藥柱結(jié)構(gòu)下沉，改變藥型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能。另外，藥柱各粘接界面間的粘接性能也可能發(fā)生變化，造成燃燒室界面粘接不良甚至脫粘，形成隱患。目前發(fā)動(dòng)機(jī)在立式貯存狀態(tài)的藥柱完整性如何尚未進(jìn)行深入研究。

為了研究大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)帶前后人工脫粘結(jié)構(gòu)的翼柱形藥柱結(jié)構(gòu)對(duì)立式貯存載荷的適應(yīng)性，本文采用有限元軟件ABAQUS，應(yīng)用藥柱推進(jìn)劑材料特性，對(duì)立式貯存狀態(tài)的藥柱(同時(shí)考慮固化降溫、充氣內(nèi)壓的影響)進(jìn)行了聯(lián)合載荷工況的計(jì)算分析，主要研究了發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)期貯存狀態(tài)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況，以及充氣內(nèi)壓對(duì)藥柱完整性的影響。另外采用燃燒室進(jìn)行了立式貯存試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)尺寸的測(cè)試、燃燒室界面的探傷檢測(cè)，最后經(jīng)地面熱試車(chē)考核。

1 燃燒室立式貯存狀態(tài)計(jì)算分析

1.1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)燃燒室結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)和載荷對(duì)稱(chēng)情況，有限元計(jì)算模型取燃燒室的1/16。總體直角坐標(biāo)系Y軸為燃燒室的軸向，X、Z軸為燃燒室徑向。圖1為燃燒室有限元計(jì)算模型三維全局視圖和封頭處網(wǎng)格局部視圖。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

實(shí)際藥柱為粘彈性材料，固化降溫過(guò)程中的溫度場(chǎng)也是不均勻的，但是藥柱在固化降溫時(shí)間足夠長(zhǎng)后，假設(shè)藥柱內(nèi)溫度場(chǎng)是均勻的，且粘彈性材料性能接近平衡態(tài)，以粘彈性材料的平衡模量表示彈性解接近于粘彈性解，本文采用均勻溫度場(chǎng)下的線彈性解分析。藥柱在立式貯存時(shí)長(zhǎng)時(shí)間受自重及充氣內(nèi)壓、大氣壓作用，為分析其長(zhǎng)時(shí)間作用后的結(jié)果，仍采用其平衡模量來(lái)進(jìn)行線彈性計(jì)算。立式貯存狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主要承固化降溫、立式自重、充氣內(nèi)壓載荷。對(duì)圖1所示有限元模型，進(jìn)行以下2種狀態(tài)的分析:

(1)固化降溫和立式貯存聯(lián)合計(jì)算分析;

(2)考慮充氣內(nèi)壓和大氣壓的影響進(jìn)行固化降溫、立式貯存、充氣內(nèi)壓、大氣壓作用下的聯(lián)合分析，并研究充氣內(nèi)壓變化對(duì)立式貯存的影響。

1.2 固化降溫和立式貯存聯(lián)合計(jì)算結(jié)果

1.2.1 藥柱應(yīng)力

圖2為藥柱全場(chǎng)的Von-Mises應(yīng)力分布圖和藥柱頭部的Von-Mises應(yīng)力局部放大圖。從圖2可明顯看出，固化降溫和立式貯存聯(lián)合作用下，藥柱頭部人工脫粘前緣凸環(huán)形處藥柱界面有應(yīng)力集中，最大Von-Mises應(yīng)力0.065 04 MPa，由三向主應(yīng)力可見(jiàn)前凸環(huán)形處藥柱界面為拉應(yīng)力狀態(tài)。絕熱層人工脫粘前緣應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。

圖2 藥柱Von-Mises應(yīng)力分布Fig.2 Von-Mises stress contour of solid grain

圖3 前人工脫粘前緣Von-Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Von-Mises stress contour of the front edge of fore stress release boot

藥柱沿圖 1所示路徑 path-1(前翼-中孔-后翼)Von-Mises應(yīng)力曲線見(jiàn)圖4;沿路徑path-3(前封頭-筒段-后封頭)Von-Mises應(yīng)力曲線見(jiàn)圖5。

1.2.2 藥柱變形

按照實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定4個(gè)V-4Cr-4Ti合金樣品中Al、As、Co、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、P、K、Na，進(jìn)行精密度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

固化降溫后，由于推進(jìn)劑、殼體線膨脹系數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，固化降溫過(guò)程中，藥柱受殼體約束，中孔擴(kuò)張，頭、尾部人工脫粘縫張開(kāi)，并向內(nèi)翹起;長(zhǎng)時(shí)間承受1 g重力載荷時(shí)，藥柱要向尾部下沉。圖6為固化降溫和立式自重載荷聯(lián)合作用時(shí)藥柱軸向和徑向位移圖。圖7為藥柱沿路徑 path-1(前翼-中孔-后翼)和路徑path-2(前翼槽-中孔-后翼槽)的軸向位移曲線。從圖中可看出，藥柱前人工脫粘前開(kāi)口端部軸向張開(kāi)最大位移 42.95 mm，徑向最大位移 12.93 mm;藥柱后人工脫粘后開(kāi)口端部軸向張開(kāi)最大位移－6.544 mm;藥柱中孔徑向最大位移－12.53 mm。

圖4 藥柱前翼-中孔-后翼Von-Mises應(yīng)力Fig.4 Von-Mises stress curve along the fore Fin-perforation-aft fin of grain

圖6 藥柱軸向和徑向位移Fig.6 Axial and radial displacement of grain

圖7 藥柱軸向位移沿路徑path-1和path-2的比較(橫坐標(biāo)為相對(duì)前開(kāi)口的軸向距離)Fig.7 Comparison of grain＇s axial displacement along path-1 and path-2

1.3 內(nèi)壓變化對(duì)立式貯存燃燒室影響規(guī)律

1.3.1 內(nèi)壓對(duì)立式貯存狀態(tài)燃燒室應(yīng)力的影響

藥柱內(nèi)表面有內(nèi)壓作用時(shí)，藥柱受力狀態(tài)發(fā)生較大變化，前后凸環(huán)及中孔處的受力狀態(tài)都變?yōu)槿蚴軌籂顟B(tài)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、充氣內(nèi)壓0.25 MPa以及不考慮大氣壓影響(即真空狀態(tài))3種立式貯存狀態(tài)燃燒室其藥柱Von-Mises應(yīng)力沿路徑path-3的變化曲線見(jiàn)圖8，前后凸環(huán)處Von-Mises應(yīng)力局部放大圖見(jiàn)圖9(a)、(b)。

圖8 不同狀態(tài)Von-Mises應(yīng)力沿路徑path-3變化曲線Fig.8 Von-Mises stress curve along path-3 under different state

圖9 前/后凸環(huán)藥柱界面不同狀態(tài)應(yīng)力比較Fig.9 Comparison of the Von-Mises stress of grain interface on the root of fore/aft stress release boot under different state

燃燒室外表面壓力為大氣壓時(shí)，隨著充氣內(nèi)壓的提高，前后凸環(huán)形藥柱界面及藥柱中孔處等效應(yīng)力、主應(yīng)力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖10、圖11。從圖10可見(jiàn)前后凸環(huán)形藥柱界面及藥柱中孔處的Von-Mises應(yīng)力隨著內(nèi)壓的提高有所增加，但變化幅度不大。由圖11可見(jiàn)前后凸環(huán)形藥柱界面及藥柱中孔處均處于三向受壓狀態(tài)，主應(yīng)力隨內(nèi)壓提高而增大。

圖10 藥柱前后凸環(huán)及中孔處Von-Mises應(yīng)力隨內(nèi)壓變化曲線Fig.10 Von-Mises stress vs inner pressure on fore/aft grain interface of the root of the stress release boot and the grain perforation

圖11 前后凸環(huán)及中孔處主應(yīng)力隨內(nèi)壓變化Fig.11 Principal stress vs inner pressure on fore/aft grain interface of the root of the stress release boot and the grain perforation

1.3.2 內(nèi)壓對(duì)立式貯存狀態(tài)燃燒室變形的影響

圖12 藥柱內(nèi)孔軸向和徑向位移Fig.12 Axial and radial displacement of grain perforation

圖13 前開(kāi)口部位最大軸向張開(kāi)隨內(nèi)壓變化曲線Fig.13 Axial displacement vs inner pressure on the fore opening position of the stress release boot

圖14 中孔變形隨內(nèi)壓變化曲線Fig.14 Radial displacement on the grain＇s perforation vs inner pressure

2 燃燒室立式貯存試驗(yàn)

為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在立式貯存狀態(tài)下藥型的變化以及各界面粘接性能的變化，進(jìn)行了燃燒室立式貯存試驗(yàn)。立式貯存試驗(yàn)的燃燒室直線加速器探傷未見(jiàn)異常。

首先進(jìn)行臥式狀態(tài)燃燒室藥柱內(nèi)孔及翼槽寬度和相應(yīng)截面的下沉量尺寸測(cè)量，隨后燃燒室充干燥空氣0.150 MPa，進(jìn)行立式貯存。貯存規(guī)定時(shí)間后，將燃燒室轉(zhuǎn)臥式狀態(tài)，放氣后進(jìn)行了不同截面的內(nèi)孔直徑測(cè)試。

從立式貯存試驗(yàn)前后的測(cè)試數(shù)據(jù)分析:立式充氣貯存后，藥柱內(nèi)孔相對(duì)立式貯存前的最大變形為5.8 mm，前人工脫粘間隙增大了 12.25 mm，后人工脫粘間隙增大了1.75 mm。距離前接頭200 mm處藥柱內(nèi)徑縮小 4.11 mm，距離后接頭 200、500、690 mm 處藥柱內(nèi)徑分別增大 2.47、4.52、5.8 mm。立式貯存后燃燒室進(jìn)行了直線加速器探傷，探傷結(jié)果與立式貯存前相同，立式貯存試驗(yàn)后該燃燒室經(jīng)過(guò)了地面熱試車(chē)考核。

3 立式貯存試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

比較計(jì)算與立式貯存后的實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn):

(1)立式充氣0.25 MPa狀態(tài)，計(jì)算得到藥柱內(nèi)孔最大變形為13.8 mm，前人工脫粘間隙45 mm，后人工脫粘間隙8.7 mm;立式貯存后，燃燒室放氣后臥式狀態(tài)測(cè)試得到前人工脫粘最大間隙19.5 mm，后人工脫粘間隙最大9 mm，藥柱中孔變形16.7 mm(相對(duì)設(shè)計(jì)值)。后人工脫粘間隙、藥柱中孔變形計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果接近，前人工脫粘間隙計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果偏大。

(2)從藥柱內(nèi)孔4個(gè)截面的內(nèi)徑測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖15，藥柱內(nèi)孔變形沿母線方向的變化趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果吻合較好。

圖15 中孔變形計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較Fig.15 Comparison of calculated and test deformation on the grain perforation

前人工脫粘間隙計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大的主要原因分析如下:

(1)雖然立式貯存后立即對(duì)燃燒室進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)試，但測(cè)試時(shí)，燃燒室內(nèi)腔處于無(wú)充氣內(nèi)壓狀態(tài)，與計(jì)算狀態(tài)有所區(qū)別;

(2)由于發(fā)動(dòng)機(jī)立式狀態(tài)不方便測(cè)試操作，測(cè)試時(shí)燃燒室存放狀態(tài)由立式改臥式后進(jìn)行，使得前人工脫粘間隙相對(duì)立式貯存狀態(tài)減小，后人工脫粘縫隙稍有增大;

(3)測(cè)試時(shí)藥柱溫度為環(huán)境溫度，但計(jì)算中假定固化降溫到10℃。

4 結(jié)論

(1)帶前后人工脫粘結(jié)構(gòu)的燃燒室立式貯存狀態(tài)在立式重力載荷、固化降溫載荷和充氣內(nèi)壓載荷共同作用下前、后人工脫粘間隙增大，前人工脫粘間隙增大較多。

(2)立式貯存燃燒室真空狀態(tài)和有內(nèi)壓(包括大氣壓力)作用狀態(tài)相比，前后凸環(huán)形藥柱界面和藥柱中孔處受力狀態(tài)從三向或兩向受拉變?yōu)槿蚴軌籂顟B(tài);前后凸環(huán)形藥柱界面及藥柱中孔處等效應(yīng)力應(yīng)變、藥柱的變形量隨內(nèi)壓提高有所提高。因此發(fā)動(dòng)機(jī)立式貯存設(shè)計(jì)合適的充氣內(nèi)壓有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期立式存放。

(3)通過(guò)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，燃燒室立式貯存后臥式放置進(jìn)行測(cè)試，對(duì)前人工脫粘間隙測(cè)試結(jié)果影響較大。進(jìn)行類(lèi)似立式貯存試驗(yàn)時(shí)，最好直接進(jìn)行立式狀態(tài)的測(cè)試，并對(duì)前后人工脫粘間隙進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，對(duì)藥柱中孔進(jìn)行多截面徑向、軸向尺寸測(cè)試。且整個(gè)貯存期間選取特征時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)尺寸測(cè)試，考慮到推進(jìn)劑的粘彈特性，測(cè)試間隔時(shí)間先密集后稀疏。

(4)基于固化降溫載荷與立式貯存重力載荷疊加的影響分析，為了更好的進(jìn)行立式貯存對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究，立式貯存試驗(yàn)在固化降溫結(jié)束后進(jìn)行，最好嚴(yán)格控制立式貯存試驗(yàn)環(huán)境溫度為最低貯存溫度。

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(編輯:呂耀輝)

Research on vertical storage of large-scale SRM chamber

YUAN Jun1，REN Ping2，HE Gao-rang2
(1.Naval Armament Department，Xi＇an 710025，China;2.National Key Laboratory of Combustion，F(xiàn)low and Thermo-Structure，Xi＇an 710025，China)

In order to study the adaptability of large-scale solid rocket motor to the special vertical storage environment，F(xiàn)EM analysis and experimental study were carried out.Based on the analysis of storage environment，considering the influence of curing and inner pressure on the vertical storage grain，calculation and analysis under combined loading were carried out.Calculation results show that the gaps of fore and aft stress release boot become bigger in vertical storage state than that in the initial state.The gap of the fore stress release boot increase more than that of the aft one.The biggest axial displacement occurs on the opening position of the stress release boot.The biggest radial displacement of the grain occurs on the perforation.After filling gas in the motor，the deformation of the grain，the equivalent stress/strain of the fore/aft grain interface on the root of the stress release boot and the equivalent stress/strain of the perforation grain increase with the applied inner pressure.However，the stress state of the fore/aft grain interface on the root of the stress release boot and the perforation grain transfer from three-orientation/two-orientation tensile to two-orientation compression，so appropriate inner pressure is advantageous to the long-term vertical storage of the motor.Finally，the vertical storage experiment was carried out and the deformation of the grain was measured.Comparison results show that the measured values agree well with the calculation values.

large-scale solid rocket motor;grain;vertical storage;stress;strain

V438

A

1006-2793(2014)06-0809-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.06.013

2013-12-11;

2014-01-22。

袁軍(1977—)，男，碩士，研究方向固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。E-mail:yuanjun_7704@163.com