1、固体火箭冲压发动机进气道出口堵盖研究2008 年第 1 期2008 年 2 月航空兵器AER0WEAP0NRY2OO8No.1Feb.2008固体火箭冲压发动机进气道出口堵盖研究张全,兰飞强,单睿子,张国宏(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)摘要:简要对比了固体火箭冲压发动机不同形式进气道出口堵盖设计方案 ,着重对可烧蚀堵盖进行了研究,对其进行结构设计,应力分析和试验验证.结果表明,该设计方案初步满足固冲发动机对进气道出口转级控制的要求,为可烧蚀堵盖在未来先进空空导弹上的应用提供参考.关键词:固体火箭冲压发动机;进气道出口;可烧蚀堵盖; 空空导弹中图分类号:TJ760.33 文献标识
2、码:A 文章编号:16735048(2008)01003103ResearchonAirIntakePortCoverinSolidRocketRamjetZHANGQuan,LNFeiqiang,SHANRuizi,ZHANGGuohong(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China)Abstract:Differenttypesofairintakeportcoverinsolidrocketramjetwerecomparedinbrief.Thestructuredesign,stressanalysisandexperimental
3、verificationofconsumableportcoverweredescribedindetail,andtheresultsshowedthatthisdesignbasicallymettheneedforcontroltermsofairintakeportcoverinsolidrocketramjet.Itwasvaluablefortheapplicationoftheconsumableportcoverinairtoairmissile.Keywords:solidrocketramjet;airintakeport;consumableportcover;airto
4、airmissile0 引言固体火箭冲压发动机是远程空空导弹动力装置的一个主要发展方向,它是由冲压和火箭技术有机结合的组合型动力装置.其中,转级系统起着衔接助推级到冲压级工作的关键作用.助推器工作结束后,作用在弹体上的阻力,使导弹的飞行速度每秒下降约 0.1 马赫数,只有尽快完成转级过程,才能使主发动机及时接力工作,保证导弹有良好的弹道性能.进气道出口堵盖是冲压发动机转级过程中的关键部件之一 J.国外对这方面已有很深人的研收稿日期:20070316作者简介:张全(1979 一), 女 ,陕西汉中人,研究方向是固冲发动机设计.究,部分研究成果已应用于具体型号,但是有关这方面的报道尚不多见,国内在
5、这方面处于刚起步阶段,本文就此问题进行初步探索研究.1 进气道出口堵盖技术概况1.1 进气道出口堵盖的设计要求在助推发动机工作期问,堵盖应能承受冲压补燃室内的高压燃气,并且还能可靠地密封与进气道及补燃室之间的界面.暴露在冲压补燃室内的堵盖应有热防护措施.转级时,堵盖能迅速可靠地打开(转级时间500Ins),抛出物尺寸应尽量小.抛出过程中,不得损坏助推一冲压补燃室和喷管的内部结构.在使用温度范围内,不松脱错位和丧失使用功能,能承受运输,挂飞,导弹自主飞行中的振动,冲击等外载条件.堵盖设计的发展方向是采用完全没有抛出物的设?32?航空兵器 2008 年第 1 期计方案.1.2 进气道出口堵盖的分类
6、和特点进气道出口堵盖主要分为可抛式和不可抛式两大类.可抛式堵盖的分类和特点如表 1 所示.表 1 可抛式堵盖的特点和分类不可抛式堵盖有机械式堵盖和可消耗堵盖两种形式:机械式堵盖有多种方案,包括突进式,百叶窗式,绞接式和滑动式等,可利用冲压空气或作动器打开.其特点是不产生抛出物但结构较复杂.可消耗堵盖用格栅作为支承件,上面覆盖一层固体推进剂或其他可燃烧的材料(可用金属网加强).该种方案在转级时不会产生大的抛出物甚至没有抛出物.由此可见,对于空空导弹的应用,可消耗堵盖方案在转级时不会产生大的抛出物甚至没有抛出物,有利于保护载机的安全,是空空导弹发动机的首选方案.下面将以一种具体的进气道可消耗出口堵
7、盖可烧蚀堵盖为例进行详细介绍.2 可烧蚀堵盖设计2.1 堵盖的结构和材料图 1 显示的是带可烧蚀堵盖的固体火箭冲压发动机结构示意图.图 1 带可烧蚀堵盖的固体火箭冲压发动机结构示意图如图 2 所示,堵盖是由钯(Pd)和铝(A1)组成的层状结构的薄板,包括 6 个 PdAl 交接面,Pd层在外表面.堵盖是由 3 个夹心层(T1,T2 和 T3)焊接或是扩散粘结在一起制成.T1,和 13 均为PdAlPd 的结构,Pd 层厚度约为 Al 层厚度的1/2.单个夹心层分别取为相等厚度,堵盖的厚度为三者厚度之和.堵盖的厚度最少应为 0.5mm,最佳厚度为 0.61.3mm 之间,最厚可达 2.6mm.该
8、结构具有快速反应生成钯铝化合物(简记为PdA1)的特点.PdA1 是一种可燃的砂状粉末,能够产生很高的能量和反应温度,金属间反应的活化温度太约为 648.9oC,绝热反应温度为 2380oC,热容为 1369.9kJ/kg.图 2 堵盖剖面示意图2.2 堵盖的安装形式堵盖是覆盖在格栅上的可烧蚀材料制成的金属层.格栅与壳体既能做成一体结构,也能制成分离结构.如图 3 所示,格栅被固定在壳体上.堵盖通过圆形金属垫圈和螺栓固定在格栅上.堵盖燃烧完成时,空气流把烧蚀后的残渣吹掉,而格栅仍留在原位.格栅上带有多个纵向分布的叶片,对进气道出口气流起到整流和稳定作用.从图 3 还可以看出,转级前主要是助推器
9、装药的内孔燃烧,整个转级过程中堵盖必须能承受助推器内 714MPa 的压力.图 3 转级堵盖安装结构示意图张全等:固体火箭冲压发动机进气道出口堵盖研究?33?2.3 转级控制问题堵盖的点火转级控制问题是堵盖设计中的一个难点.要使 Pf】一 AJPf】夹心层反应生成 PdAI,需要在堵盖上集中作用个高能量,以获得大约648.9的着火点温度.此外,为使堵盖在预期时间内烧蚀,当装药燃烧临近结束时就得同时对堵盖进行点火引燃.但是,由于装药燃速相对很高,没有足够的接触时间与堵盖进行引燃.另一方面,格栅的散热作用也很大,这也会影响 Pf】一 AlPd层里合金反应的正常进行.通过把相同材料制成的点火片焊接到
10、堵盖上加速引燃,成功解决了接触时间不够的问题.点火片沿着堵盖表面向装药内插入约 2.56mm 的一段距离(具体长度可视装药燃速大小而定).当装药燃面到达点火片处时,点火片被点燃.2.4 堵盖受力分析进气道出口堵盖应能承受助推补燃室的高温高压负荷,保证界面密封可靠,所以,对其进行受力分析十分必要.用有限元法对以上所介绍的堵盖模型(取一块格栅尺寸大小)进行了强度校核,划分网格后的模型见图 4.计算了堵盖的应力场和变形情况,结果见图 5 和图 6.图 4 计算网格图图 5 的计算结果表明,当对模型施加 14MPa 的压力时,堵盖所受最大拉应力为 280MPa.小于材料的强度极限,可以安全使用.图 6
11、 表明,堵盖的变形很小,只有 0.0137mm,能够达到所需密封要求.图 5 应力云图3 试验情况图 6 变形云图本文所设计的可烧蚀堵盖在某整体式固体火箭冲压发动机上进行了助推一转级续航联合点火试验,该发动机采用无喷管助推器技术,带有双下侧进气道和可烧蚀进气道出口堵盖,试验过程中采集补燃室和左,右进气道内压强信号.转级期间的试验曲线如图 7 所示,进气道出口堵盖打开以前,两进气道内压强分别保持 0.53MPa 不变.助推器工作结束后,补燃室压强曲线开始下降,当压强下降至 0.52MPa 时,进气道压强开始下降,说明此时两进气道出口堵盖开始打开.如果以此时作为转级开始的计时零点,则从进气道压强曲
12、线可以看出,215ms 后右进气道堵盖完全打开,235ms 后左进气道堵盖完全打开.100ms 时,补燃室压强开始上升,说明此时二次燃烧组织成功.300ms 时,两进气道压强均稳定在 0.35MPa 左右,助推补燃室压强稳定在 0.33MPa,此时整个转级过程结束,转级时间累计为 300ms,具体数据见表 2.lJ5日山善 1.o簸出0.50.O一200100O10020o30040o500时间 Ires04 呈浸瑙0.3图 7 转级期间补燃室和进气道压强试验曲线试验表明,采用该堵盖形式可以保证发动机各部件正常工作,两进气道转级工作时问均满足固冲发动机转级时间设计要求.同时,该可烧蚀堵盖工作安
13、全,可靠,能够承受助推器工作压强,保证密封要求,并且未产生影响发动机正常工作的抛出物.(下转第 45 页)l.32llOl2344S678llllll98765432l9盂祥盛:基于偏振探测的激光引信?45?统接收到的回波偏振度较高.根据图 6 所示光学系统设计了一种基于偏振探测的激光引信,其基本原理框图如图 8 所示.HHD_l=产=二=堡燮 I鎏塑激光激光器水平起偏镜 J 镧电路动组件 l甘波形调制电路控制激光驱动组件使激光器按一定调制波形发射光脉冲.当光脉冲经过水平起偏器后产生偏振方向为水平的偏振光.当遇到较光滑实体目标时,进入到接收视场的反射光为水平偏振度较高的部分偏振光.此时用以水平
14、方向检偏的探测器 1 将获得较大的回波信号,而用以垂直方向检偏的探测器 2 基本得不到回波信号(两个探测器共视场).当两探测器探测到能量之差经放大器放大后能超过阈值并符合信号判据时,引信就认为是目标,并驱动执行级电路点燃战斗部.当反射物为悬浮粒子时,由于回波信号的偏振度较低,水平和垂直方向检偏的探测器将获得大小相当的能量.这样经过差动放大后的信号不会超过阈值,因此引信不动作.类似地,当太阳光进入探测系统后,由于太阳光本身为完全非偏振光,水平和垂直偏振方向的能量大小相当,因此,即使不用窄带滤波片,经差动放大后的信号同样不会造成引信误动作.4 结论利用探测实体目标反射与悬浮粒子散射的回波偏振度差异
15、能有效提高激光引信抗悬浮粒子干扰的能力.这种探测的本质是探测反射物是实体还是悬浮粒子,克服了采用飞机类目标形体识别方法中目标与云雾形体相似时的误判可能.参考文献:1郁道银,谈恒英 .工程光学M.北京:机械工业出版社.2006.(上接第 33 页)表 2 转级过程进气道和补燃室压强数据表 MPa4 结论本文对不同形式的进气道出口堵盖进行了比较,重点研究了一种先进的可烧蚀堵盖的材料,结构,安装形式和转级控制等问题,并对其进行了应力分析和试验验证,结果表明,该堵盖可以保证固冲发动机转级工作的正常运转.同时,它还具有体积小,转级控制容易和对外无抛出物的特点,可为进气道出口堵盖在空空导弹上的应用提供参考
16、.参考文献:1王明鉴.整体式固体火箭冲压发动机的应用性能探讨J.固体火箭技术,1995,18(1):10.2张家骅,胡顺楠 ,顾炎武.整体式固体火箭冲压发动机研制J.推进技术,1998,19(2):9.3鲍福廷,黄熙君 ,张振鹏.固体火箭冲压组合发动机M.北京 :宇航出版社,2006.4史宏斌,侯晓 ,钟伟芳.受冲压作用固体发动机喷管堵盖应力分析J.固体火箭技术,1997,20(4):18.5张炜,朱慧 ,方丁酉,等.冲压发动机发展现状及其关键技术J.固体火箭技术,1998,21(3):29.6李存杰,龙玉珍 .整体式冲压发动机的几项关键技术问题J.飞航导弹,1992,(4):3739.7BiassEH,RichardsonD.ARMADAInternationalJ,1996,(4):34.8谢文超,徐东来 ,蔡选义,等.空空导弹推进系统设计M.北京 :国防工业出版社,2006:259.
