摘 要：为了研究过载对发动机内流场和绝热层烧蚀的影响规律，对过载条件下的固体火箭发动机开展了数值仿真和旋转过载试验。仿真与试验结果表明，过载量值和含铝量是影响过载条件下固体火箭发动机粒子聚集浓度分布及绝热层严重烧蚀区域的主要因素，在进行发动机设计时应综合考虑，以保证发动机工作的安全性、可靠性。
关键词：固体火箭发动机；过载；发动机两相流；绝热层烧蚀
中图分类号：V435 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2013）04-0037-04
InvestigationonInternalFlowandInsulatorErosionof SRMunderOverload
XINGZhihao1，LIUYanbin1，WANGHugan1，2，ZHANGZeyuan1，2
（1.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China；2.AviationKeyLaboratoryof ScienceandTechnologyonAirborneGuidedWeapons，Luoyang471009，China）
Abstract：Toresearchtheinfluenceregularoftheoverloadtotheinternalflowfieldandtheablation ofinsulator，thenumericalsimulationandrotatingoverloadtestofsolidrocketmotorunderthecondition ofoverloadisdone.ThesimulationandtestresultsshowthatthemagnitudeofoverloadandtheAluminiumcontentarethemaieasonstoinfluencethecollectionconcentrationofparticlesandtheareaofthe seriousinsulatorablation，whichshouldbeconsideredfullyinthedesignofsolidrocketmotortoguaranteethesafetyandreliabilityunderworkingcondition.
Keywords：solidrocketmotor；overload；twophaseflow；insulaatorerosion
0 引 言
当前发达国家先进在役中远程空空导弹已属于第四代，以美国的“阿姆拉姆”AIM-120为典型代表，其推进系统具有高加速、强机动能力。该类发动机的主要特点是具有发射后不管和多目标攻击能力，而且飞行速度快，机动过载大，射程远。目前，空空导弹固体火箭发动机大多采用含铝复合推进剂，发动机工作过程中生成的燃烧产物中含有大量的氧化铝凝相粒子，因此发动机燃烧室内的流动为典型的两相流。高过载会改变凝相粒子的运动轨迹，使粒子在发动机局部高度聚集，形成高稠密度的两相流，恶化绝热层的工作环境，严重时导致绝热层防护体系失效，出现发动机烧穿故障。
湍流模型采用RNGk-ε湍流模型，解析性是由它直接从标准k-ε模型变来。
1.2 两相流模型
本文主要研究固体火箭发动机内凝相粒子的分布规律，将计算模型适当简化：（1）不考虑化学反应；（2）不考虑颗粒相的燃烧、蒸发、破碎过程；（3）不考虑粒子相的湍流扩散效应[1]。两相流模型采用颗粒轨道法，气相在欧拉坐标下求解，粒子相在拉格朗日坐标下跟踪求解。
针对高过载条件下固体火箭发动机流动的特点，建立如下两相流模型：气相控制方程采用有加速度项的三维可压粘性N-S方程，采用k-ε湍流模型；过载对粒子的影响是通过在具有加速度的参考坐标系中建立流动域来实现；粒子全部为三氧化二铝，粒径为单一分布，计算中取50μm；粒子与壁面的碰撞按照恢复系数为0.8的弹性碰撞处理。
1.3 边界条件和网格划分
本文计算中涉及到的边界条件有出口边界条件、固体壁面边界条件和加质壁面边界条件三类。对于超声速出口，不需给定任何边界条件，全部气流参数二阶外推即可。固体壁面边界是流场中最常见的边界。对于粘性流体，一般采用无滑移条件，即认为壁面处流体速度与该处壁面速度相同。当壁面固定不动时，流体速度为零。粒子从加质壁面均匀加入，加入速度为零，在固体壁面和推进剂表面上应用反弹模型，在喷管出口消失。发动机构型根据给出的初始时刻发动机装药构型，按照平行层规律，采用作图法给出典型时刻的装药构型，利用CAD软件生成其三维构型。
针对典型时刻的发动机构型，进行计算区域的构造和网格生成，如图1。考虑到计算构型的结构特征，采用结构化网格，网格单元控制在50～60万之间，先进行试算，对结构在颗粒浓度较大处的网格加密，以保证计算的精度。
2.1 过载大小影响分析
粒子浓度分布如图2所示，可以看出，从装药表面开始就已经形成了粒子聚集带，粒子流以一定角度冲刷燃烧室壁面，在发动机中后段壁面存在粒子聚集带，粒子流与收敛段发生碰撞、反弹，形成了反弹聚集带。比较不同过载下承载面分布情况，无过载条件下，粒子在壳体尾部、收敛段上呈圆周均匀分布，无明显聚集点，过载为10条件下在承载方向上出现聚集点，聚集浓度略微上升，过载达到30时，粒子聚集带浓度明显升高，且粒子聚集带位置逐渐向前扩展。
2.3 过载对发动机内流场、绝热层烧蚀影响分析
由于采用含铝复合推进剂的固体火箭发动机内流场为典型的两相流，在零过载条件下，装药燃烧产生的粒子流主要沿发动机轴向流动，除少量粒子在收敛段产生沉积外，大部分粒子基本沿喷管喷出。在过载条件下，两相流中的粒子流动方向产生偏斜，粒子在流动过程中逐渐凝聚并最终沉积在绝热层表面，加剧了绝热层的烧蚀与炭化作用，随着过载的持续效应，产生粒子聚集区，加快了绝热炭化层剥落程度，导致烧蚀增大。
在纵、横过载作用下，装药燃烧生成的粒子运动轨迹发生偏移，圆管段尾部装药产生的粒子直接落在发动机壳体绝热层上，圆管段头部装药产生的粒子受横向过载作用，先沿装药表面滑移并落在承载表面上，然后在药柱尾端做具有一定初速的“抛射运动”。由于装药燃烧产生粒子位置不同，粒子运动轨迹也不尽相同，但粒子最终在承载方向上沉积并形成粒子聚集带，粒子聚集带将加剧对壳体绝热层的传热，使绝热层工作环境恶化，导致绝热层烧蚀急剧增加，绝热层有效厚度减薄。
3 试验验证
3.1 试验原理和方法
为获得发动机在过载条件下绝热层的烧蚀特性和规律，开展半装药发动机地面过载试验，该试验在地面旋转过载试验台上进行，其原理见文献[5]。发动机壳体尾部绝热层为裸露状态，如图4所示。将试验发动机和模拟发动机按要求状态固定在夹具上，图5为试验时发动机装夹示意图，选取发动机中轴线上A点为过载设计点。
3.3 试验分析
由试验后发动机（如图6）可以看出，发动机过载设计母线对应绝热层内壁存在一条纵向粒子聚集带，且在绝热层尾部存在粒子聚集区，绝热层烧蚀严重。
试验后对三个状态的发动机绝热层剩余厚度进行了测量，具体绝热层烧蚀厚度分布情况见图7。图中测量以发动机壳体过载设计线外侧为周向零点，逆时针方向为正，以壳体后端面为轴向零点，自后至前为正。
由图7可以看出，A发动机绝热层最大烧蚀位置出现在承载方向附近，随着轴向距离增加，烧蚀厚度也逐渐增加，至150mm处时出现烧蚀最大值，然后随着轴向距离增加，烧蚀厚度逐渐减小。B，C发动机也呈现出相同的趋势，其中B，C状态试验发动机绝热层最大烧蚀位置在周向上也出现在承载方向附近，轴向位置分别位于150mm、250 mm处。说明承载方向绝热层上存在最大烧蚀点，且该点随着过载、铝含量的增加而逐渐向前扩展。
对比图7（a）、7（b）可知，B发动机绝热层在对应测量界面上的烧蚀厚度均大于A发动机，表明发动机在过载相同的条件下，随着铝粉含量的增加，绝热层烧蚀厚度也明显增加。
对比图7（b）、7（c）可知，C发动机绝热层在对应测量界面上的烧蚀厚度均大于B发动机，表明在铝含量相同的条件下，随着过载量值的增加，绝热层烧蚀厚度也明显增加。
4 结 论
通过开展过载条件下固体火箭发动机两相流内流场仿真及旋转过载试验，得到如下结论：
（1）过载条件下发动机两相流中粒子流动方向产生偏斜，在承载方向形成一条纵向粒子聚集带，绝热层尾部区域存在高浓度粒子聚集区；
（2）绝热层烧蚀厚度自后至前逐渐减小，在尾部绝热层局部区域存在最大烧蚀点，且该点随着过载、铝含量增加而逐渐向前扩展；
（3）在相同过载的条件下，随着铝粉含量的增加，绝热层烧蚀厚度也明显增加，反之亦然；
（4）含铝量、过载量值是影响过载条件下固体火箭发动机粒子聚集浓度分布及绝热层严重烧蚀区域的主要因素，在进行发动机设计时应综合考虑，以保证发动机工作的安全性、可靠性。
参考文献：
[1]何国强，王国辉，蔡体敏，等.高过载条件下固体火箭发动机内流场及绝热层冲蚀研究[J].固体火箭技术，2001，24（4）.
[2]李江，何国强，秦飞，等.高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究（Ⅰ）方案论证及数值模拟[J].推进技术，2003，24（4）.
[3]乐发仁，冯喜平，武渊，等.高过载条件下固体火箭发动机绝热层失效研究[J].固体火箭技术，2005，28（1）.
[4]王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
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