劉世毅 韓言勛 劉媛媛

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著航天器任務需求的升級，超聲速飛行器成為近年來航空航天技術研究的熱點[1-2]。超聲速飛行會帶來劇烈的氣動加熱，而作為關鍵動作執(zhí)行部件的火工裝置也面臨著極高溫度的考驗，需對其采取有效的熱防護措施。因此，高溫防護性能研究也成為了新的研究課題[3-5]。

根據(jù)熱防護結(jié)構的原理，熱防護可分為被動熱防護、半主動熱防護及主動防熱三類[6]。美國針對X-33等飛行器發(fā)展的金屬防熱蓋板防護系統(tǒng)[7]和歐洲為 Pre-x項目發(fā)展的陶瓷基防熱瓦系統(tǒng)都是新型的被動式熱防護系統(tǒng)[8-9]，在承受飛行載荷的同時具有很強的防、隔熱效果；近年發(fā)展的熱管技術，以及大多數(shù)衛(wèi)星、飛船和航天飛機等飛行器再入大氣層時進行隔熱通常使用的燒蝕材料[10-12]，都是半主動式熱防護系統(tǒng)[13]；主動冷卻系統(tǒng)是通過冷卻劑帶走或阻隔氣動熱，控制進入結(jié)構的熱流，主要有膜冷卻、增強輻射冷卻與發(fā)汗式冷卻等多種方式，適用于空間相機等高精度溫度控制設備[14-16]。對于火工裝置來說，其產(chǎn)品體積小，結(jié)構復雜，能夠利用的空間有限，以上熱防護手段都很難直接實施，為了保證耐高溫性能需要針對結(jié)構特點和使用需求綜合考慮。

本文所述彈射器用于某超聲速飛行器，安裝在飛行器頭部二級錐，用于固定并彈射紅外相機鏡頭保護罩。保護罩用彈射器安裝示意如圖1所示，保護罩固定在彈射器頭部，主裝藥藥盒和點火器位于彈射器尾部。在飛行過程中，飛行器頭部錐體溫度將達到 500℃以上。但目前星船、飛行器上配套的火工裝置使用溫度大多在60～90℃范圍內(nèi)，主裝藥的耐受溫度僅在100℃左右。因此現(xiàn)有彈射器遠遠不能達到超聲速飛行器的熱環(huán)境要求。選用耐受溫度高的火藥藥劑性能更為鈍感，在點火電流限定的條件下必將影響點火可靠性。彈射器與保護罩剛性連接，直接承受飛行器表面熱流，結(jié)構升溫迅速。因此彈射器必須首先考慮對自身結(jié)構進行優(yōu)化，以保證藥盒及點火器部位的溫度滿足使用要求。

圖1 某型超聲速飛行器保護罩用彈射器安裝示意Fig.1 Position of ejector with the retainer of a supersonic aircraft

1 任務分析

飛行器工作時間為1 500s，表面駐點溫度可達600℃。在整個飛行過程中，彈射器應保證安全不爆炸，且工作可靠。彈射器藥盒內(nèi)的主裝藥及點火器受環(huán)境溫度影響最大，且直接影響彈射器的動作執(zhí)行功能。為保證藥盒與點火器內(nèi)藥劑的點火可靠與安全，藥盒與點火器部位環(huán)境溫度需控制在100℃以下。分析飛行任務，彈射器的使用環(huán)境溫度雖高，但工作時間并不長，可以考慮在保證功能的前提下，通過改進耐高溫結(jié)構，增加熱防護措施，降低結(jié)構熱傳導速率，逐步接近并達到主裝藥和點火器的耐高溫要求。

為了研究熱防護特性，減少試驗驗證周期，首先通過數(shù)值模擬的方法，在現(xiàn)有彈射器結(jié)構基礎上建立熱傳導模型。通過優(yōu)化結(jié)構設計、增加熱防護措施等手段，分析比較保護罩安裝端面到火藥藥盒部位之間的熱能傳遞情況。通過理論計算指導結(jié)構優(yōu)化設計，最終使藥盒與點火器處溫度滿足高溫環(huán)境的要求。通過數(shù)值模擬完成結(jié)構設計及優(yōu)化后，對采取結(jié)構優(yōu)化的彈射器進行高溫環(huán)境試驗驗證，獲取藥盒部位及點火器安裝部位的溫度情況，最終根據(jù)裝藥部位的溫度數(shù)據(jù)，確認主裝藥劑及點火器的耐溫性能。借助理論計算、試驗驗證和綜合分析等多種手段，可以達到成本低、實施簡便、安全可靠的研究目的。

彈射器安裝在飛行器上的結(jié)構如圖2所示，圖中的箭頭表示熱量傳遞的方式及方向，熱邊界設為恒溫 T=600℃，模擬彈體表面最高溫度。彈射器通過大螺帽安裝在飛行器上，通過連接螺釘與飛行器金屬保護罩連接。金屬保護罩與飛行器之間有隔熱層，熱量通過圖示彈射器左端熱邊界及連接螺釘向彈射器右端傳遞。

圖2 彈射器的安裝結(jié)構及其傳熱界面Fig.2 Fixing structure and heat exchange interface of the ejector

金屬保護罩外表面直接與空氣接觸，氣流在超聲速環(huán)境下氣動加熱（對流換熱）強烈，保護罩金屬壁升溫迅速。保護罩外部熱邊界條件可視為定壁溫邊界，即整個金屬壁的溫度等于氣動加熱的流場溫度。熱量通過連接螺釘及彈射器左端面?zhèn)魅霃椛淦鲀?nèi)部，彈射器迅速升溫。同時熱量也會從金屬保護罩傳向隔熱層及飛行器，但隔熱層的導熱系數(shù)低，比熱大，升溫較為緩慢，而且飛行器內(nèi)部有其他降溫措施，因此同一時刻彈射器的溫度高于隔熱層和飛行器的溫度。另外，由于彈射器直接傳導保護罩的氣動加熱，其表面溫度高于飛行器艙內(nèi)其它元器件的溫度，因此彈射器的外表面還將以熱輻射和自然對流的方式向外散熱。

2 數(shù)值計算

數(shù)值模擬將彈射器與保護罩的連接面設置為定壁溫邊界，按最高溫度 600℃加熱。初始溫度環(huán)境設置為27℃，工作時間為1 500s，計算藥盒表面最高溫度是否超過100℃。

對彈射器的三維非穩(wěn)態(tài)溫度場求解采用商業(yè)軟件 Fluent。為了保證網(wǎng)格的正交性，大部分區(qū)域采用多面體網(wǎng)格，藥盒采用六面體網(wǎng)格。除藥盒外的其它零件都視為同種材料。不考慮連接面的接觸熱阻，同一材料的相鄰零件視為同一計算域。對彈射器內(nèi)部空氣域也劃分了計算網(wǎng)格，從而計算這些區(qū)域的壁面輻射換熱和空氣導熱，但忽略空氣的自然對流。

如圖2所示，彈射器的熱傳遞方式包括結(jié)構間的熱傳導、結(jié)構向外界空氣的熱輻射和自然對流。熱傳導遵循傅里葉定律[17-18]：

式中 q′為熱流密度；k為導熱系數(shù)；T為溫度；x為熱傳導距離；“–”表示熱量流向溫度降低方向。輻射傳熱利用斯蒂芬－玻爾茲曼方程描述：

式中 q為熱流率；ε為輻射率；σ為斯蒂芬–玻爾茲曼常數(shù)，約為 5.67×10–8W/（m2·K4）；A1為輻射面1的面積；F12為由輻射面1到輻射面2（即金屬殼壁到空氣域）的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的熱力學溫度；T2為輻射面2的熱力學溫度。

熱對流利用牛頓冷卻方程描述：

式中 h為對流換熱系數(shù)；TS為固體表面溫度；TB為周圍流體溫度。

模型選取了45號鋼、18Cr10Ni鎳鉻鋼、TC4鈦合金、TC11鈦合金四種不同結(jié)構材料，通過計算確認各種材料是否能夠滿足藥盒的溫度使用要求。

表1 結(jié)構材料參數(shù)Tab. 1 Parameters of structure materials

為了減小彈射器內(nèi)部零件結(jié)構之間的傳熱，采取了內(nèi)部零件不接觸的結(jié)構改進措施，通過間隙隔離的方式降低熱量傳遞效率。因此設置了內(nèi)部零件接觸模型與內(nèi)部零件不接觸的改進結(jié)構模型，通過計算比較結(jié)構改進效果。

通過計算獲得四種結(jié)構材料、兩種結(jié)構模型下的藥盒表面溫度變化情況，如圖3所示。

圖3 不同材料及結(jié)構藥盒處溫度–時間變化曲線Fig.3 Temperature vs time of cartridge in different materials and structures

計算結(jié)果表明：

1）45號鋼的導熱率較高，藥盒處溫度無法滿足使用要求。18Cr10Ni的導熱率次之，藥盒處溫度基本滿足使用要求。

2）TC4與TC11具有較好的低導熱率、高強度性能，能夠滿足藥盒處使用要求，適合用于彈射器主要承力結(jié)構的設計。

3）隨著時間變化，改進型結(jié)構升溫速率低于原結(jié)構升溫速率，因此在熱傳導界面結(jié)構中適當增加空氣間隙、增加隔熱材料可以起到較好的延緩升溫效果。

計算結(jié)果還顯示，進一步降低熱傳導效率可以在外筒壁包覆相變材料用于吸收熱量，并在最外部包覆隔熱材料可以防止熱量向外界散失，避免影響外部設備。由于計算模型是在實際物理模型的基礎上適當簡化得到，各種材料的熱物理性能參數(shù)與實際情況存在偏差，因此計算結(jié)果的準確性需要通過熱環(huán)境試驗驗證。

3 試驗驗證

根據(jù)計算結(jié)果，彈射器試驗件選用常用材料TC4作為主要承力材料，并在內(nèi)部結(jié)構中設置間隙以降低熱傳導效率。試驗模擬彈射器在飛行器上的安裝情況，并將彈射器安裝面加熱到規(guī)定溫度。熱傳導試驗時彈射器不裝主裝藥，藥盒內(nèi)裝入與裝藥同尺寸、等熱容的安全材料。熱傳導試驗利用高溫加熱爐，通過60kW可控硅電源對彈射器安裝面持續(xù)加熱，模擬保護罩向彈射器的傳熱過程。利用溫度傳感器測試熱源、藥盒等部位的溫度變化情況，利用16通道溫度采集設備記錄溫度隨時間的變化數(shù)據(jù)。通過不同工況的試驗，比較了加熱溫度、不同包覆材料和環(huán)境溫度變化對藥盒等部位溫度的影響規(guī)律。

藥盒部位試驗測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比情況見圖4。試驗環(huán)境溫度以600℃恒溫源考核，在初始階段實測溫度略高于數(shù)值模擬的溫度，計算過程考慮了迅速加熱過程。在1 500s時，數(shù)值模擬的結(jié)果為76.8℃，而試驗實測結(jié)果為78.0℃，說明數(shù)值模擬具有很好的符合性。

圖4 試驗測試和數(shù)值計算藥盒溫度–時間變化曲線Fig.4 Temperature vs time of cartridge in experiment and calculation

彈射器安裝在飛行器內(nèi)部，受到飛行器內(nèi)部環(huán)境溫度的影響，但現(xiàn)階段飛行器內(nèi)部環(huán)境溫度無法獲得?？紤]兩種極限情況，假設內(nèi)部環(huán)境溫度高于彈射器溫度，內(nèi)部環(huán)境將向彈射器輻射傳遞熱量；內(nèi)部環(huán)境溫度低于彈射器溫度，彈射器將向內(nèi)部環(huán)境散失熱量。因此在試驗中設置兩種環(huán)境工況：開放環(huán)境為空氣環(huán)境，試驗過程彈射器直接向空氣散熱；封閉環(huán)境為高溫加熱爐腔內(nèi)環(huán)境，由于爐腔內(nèi)設有隔熱層，加熱過程熱量散失很少，爐腔內(nèi)溫度迅速上升。在開放與封閉環(huán)境條件下，藥盒溫度隨時間變化如圖5所示。在初始的800s內(nèi)，環(huán)境溫度對測點溫度影響較小，而隨著時間的增加，影響越來越明顯。在1 500s時，封閉環(huán)境的測點溫度明顯升高。但在1 500s內(nèi)開放與封閉環(huán)境下藥盒溫度仍能夠滿足100℃的使用要求。

為了驗證彈射器利用相變材料的吸熱效果，選取一種氣凝膠相變吸熱材料包裹在彈射器殼體外部進行熱傳導試驗。在相同的熱源溫度和環(huán)境條件下，對包覆和不包覆相變材料的試驗件進行了測溫比較，如圖6所示。從圖中可看出，在開始的500s內(nèi)，兩種工況的溫度基本保持不變，500s后不包覆的結(jié)構件藥盒升溫較快，在1 500s時已經(jīng)到達了78.5℃；而包覆的彈射器藥盒溫度上升緩慢，在1 500s時包覆試驗件藥盒測點溫度為49.6℃，與不包覆試驗件相差28.9℃。這說明相變材料在升溫過程發(fā)生吸熱反應，使彈射器內(nèi)部溫度有效降低。

圖5 開放與封閉環(huán)境條件藥盒溫度–時間變化曲線Fig.5 Temperature vs time of cartridge in open and closed environment

圖6 包覆與不包覆工況藥盒溫度–時間變化 Fig.6 Temperature vs time of cartridge with wrapped and unwrapped structure

在600℃熱源條件下，不同工況、不同試驗件的熱傳導試驗均不少于3次，證明試驗結(jié)果重復性良好，數(shù)據(jù)可信。在1 500s時，藥盒、點火器等測點溫度如表2所列（首次試驗結(jié)果）。在開放環(huán)境中，彈射器向外部散熱，藥盒處溫度能夠保證低于80℃，可以滿足使用需求，且具有一定的安全裕度；在封閉條件下，熱能無法及時散出，藥盒溫度將保持在88℃左右，也能夠滿足使用要求。相變吸熱包覆材料在彈射器傳熱過程中可以吸收熱量，大大降低藥盒等部位的溫度，是一種有效的熱防護措施。

表2 不同試驗狀態(tài)的試驗結(jié)果Tab.2 Experiment results of different states

4 結(jié)束語

對彈射器采取適當?shù)慕Y(jié)構防熱、隔熱設計，可以降低熱量傳遞效率、增加吸熱與散熱，取得很好的隔熱效果。從隔熱角度解決火工裝置耐高溫問題降低了藥劑選用的研制風險，提高了產(chǎn)品的可靠性安全性，對產(chǎn)品的工程應用具有實際參考意義。

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