火箭发动机含缺陷推进剂发展研究

2023-02-24

火箭发动机技术是航天运输技术和导弹技术的核心技术之一, 它在很大程度上代表了一个国家在航天和军事领域的技术水平, 也是一个国家军事实力的象征。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比, 具有结构简单、体积小、成本低、使用维护方便等优点, 因此, 固体火箭发动机技术在各军事强国备受重视并在军事应用上得到了大力发展。目前, 在世界各国的战略、战术弹道导弹中, 固体导弹占90%以上。同时, 它也日益成为现代航天、航空飞行器、功能飞行器 (如动能杀伤飞行器KKV) 等动力系统的重要组成部分。

固体火箭发动机内部工作过程是一个极其复杂的物理化学过程, 推进剂在点火器产生的高温高压气体作用下开始燃烧, 在燃烧室内释放化学能并生成高温、高压气体, 经过喷管加速将热能转换为动能, 产生动力。通过几十年的实验研究和理论分析, 对这种十分复杂的物理化学过程己进行了较为深入的了解, 建立了一些数学模型和设计规范, 对设计安全、可靠、高效的固体火箭发动机有十分重要的指导作用。

1 含缺陷推进剂的国内外研究现状

固体火箭发动机推进剂是典型的粘弹性材料。粘弹性的本质是由于聚合物分子运动具有松弛特性。聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。高分子材料在固定应力或应变作用下观察到的力学松弛现象称为静态力学松弛, 最基本的有蠕变和应力松弛。固体推进剂在某一应力、应变水平以内可看成线粘弹性材料。由于推进剂的粘弹特性明显, 材料性能会随时间和温度变化剧烈, 采用粘弹性力学方法分析问题比用弹性力学方法更进一步, 抓住了问题的本质[1]。虽然用非线性理论研究问题会更精确, 但对于药柱完整性分析不会带来根本性的变化, 并且理论和计算过于复杂, 目前工程上应用不多, 主要从线粘弹性理论入手。

由于影响固体火箭发动机复杂物理化学过程的因素非常多, 且表现为较强的非线性特征, 例如对某些发动机, 即使微小的裂纹也可能在点火动载荷的作用下迅速扩展, 并导致灾难性后果:而对另外一些发动机, 同样裂纹条件下则可以成功点火, 并能保证发动机在整个工作时间内性能正常。由于固体火箭发动机工作过程涉及因素较多, 相互之间作用机理不是十分清楚。因此, 对固体火箭发动机装药缺陷问题研究由来已久, 但是进展缓慢, 至今没有建立通用的法则, 系统特性很难建模描述, 更谈不上准确的预测[2,3]。

20世纪80年代以前对含有脱粘和裂纹等伤情缺陷固体火箭发动机性能研究主要采用实验方法, 获得了一些初步的, 但却十分有意义的结论。得出的研究结论为:在分钟的推进剂燃烧可能诱导很高的超压现象, 火焰在孤立裂纹中的传播速度和最大压力是裂纹宽度与深度之比的函数, 裂纹内压力过高导致其尖端扩展。其实验结果还表明侵蚀燃烧现象对裂纹燃烧有不可忽略的影响。日本的Godai在1970年进行了火焰向推进剂裂纹内传播的实验研究, 确定了裂纹宽度的临界值, 低于该临界值, 火焰不能进入裂纹, 且该临界值随推进剂燃速的增加而减小。美国的Jacobst在70年代开始研究裂纹和脱粘的燃烧过程。在假定火焰沿尖劈状脱粘通道传播的条件下, 发现压力实测值与起一维准静态模型的分析结果是一致的。研究结果表明:摩擦效应和燃气的压缩效应是裂纹内产生超高压力的主要原因。

在裂纹燃烧和裂纹扩展机理方面, 最有成效的工作是由美国宾西法尼亚州立大学的K.K.Kuo教授及其合作者作出的。他们利用高速摄影技术、燃烧终止技术和X射线分析等手段, 对裂纹内的流动燃烧现象进行了长期的研究。和其他研究者一样, 他们以规范的扁长六面体形空腔代替裂纹, 并假定裂纹不变形、不扩展, 腔中参数沿长度方向呈一维分布。在此假设下, 讨论裂纹的高、长, 腔内气体流速。燃烧室压力P等参数对裂纹腔中流场、火焰传播及裂纹扩展的影响。

随着固体火箭发动机在列装中越来越普遍, 对有脱粘和裂纹等伤情缺陷固体火箭发动机行为规律的研究需求日益增长。但与国外相比, 国内还处于刚刚起步的阶段, 对装药裂纹内的流动、燃烧机理还缺乏深入的研究, 对裂纹扩展和装药破坏的条件还缺乏有效的分析工具。从上世纪90年代末开始, 采用粘弹性材料断裂力学理论对复合固体推进剂中裂纹扩展问题进行了一系列的研究工作。研究了固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式, 并对裂纹动态扩展问题进行了探索。

通过对含裂纹和脱站的聚硫推进剂试件的大量燃烧试验, 结合粘弹性有限元力学分析, 对裂纹扩展的可能性进行预估建模。理论分析和试验结果再次验证:燃烧室增压速率、裂纹几何尺度和周围约束条件是影响裂纹扩展的主要因素。采用计算和实验相结合的手段对装药缺陷问题进行细致探讨。利用X射线实时荧屏分析系统, 对含有裂纹、脱粘、弱粘和气泡等缺陷装药的燃烧过程进行观测, 通过图像处理方法, 获得非常宝贵的实验现象, 对认识这一燃烧过程具有重要帮助。有研究者还通过对比实验, 除了验证燃烧室增压速率和局部动压是裂纹扩展的主要因素这一结论外, 还发现与大气接触的裂纹和装药内置的密闭气泡两种缺陷引起燃烧室压力异常有本质差别, 后者可以用燃面增加进行预测, 而前者产生的压力异常比按燃面增加理论预测值大得多。