论文部分内容阅读
固体推进剂在火箭发动机燃烧室内受压强振荡影响而产生的压强耦合响应特性,是固体火箭发动机燃烧不稳定的主要影响因素。随着发动机性能要求的逐渐提高,推进剂的性能要求也越来越高,推进剂燃烧性能以及反应过程变得更加复杂。配方成分的微小变化、不同批次的原材料以及工艺的细微变化等均会导致推进剂在火箭发动机燃烧室中的燃烧性能发生变化,从而影响推进剂压强耦合响应特性。除此之外,火箭发动机工作参数如工作压强、飞行状态以及发动机燃烧室内部声场构型的变化,同样会影响固体推进剂的压强耦合响应特性,使得火箭发动机燃烧室内产生非线性燃烧不稳定现象。因此,研究固体推进剂压强耦合响应特性,揭示其燃烧响应机理、影响因素和影响规律,建立可预估压强耦合响应函数的分析方法,从而为推进剂筛选和发动机非线性燃烧不稳定预估提供有力的理论依据和改进方案,对于解决实际发动机燃烧不稳定问题具有明显的科学意义和工程价值。本文首先分析了火箭发动机燃烧室中非线性声振荡特性,推导建立了多阶声振荡模态共同作用下的非线性压强耦合响应模型,获得了压强振荡幅值对线性和非线性压强耦合响应特性的影响规律;其次,建立了线性和非线性压强耦合响应函数的实验测量与数据处理方法,对3种固体推进剂开展了实验测量工作,分别获得了推进剂线性和非线性压强耦合响应函数,并与理论模型进行了对比分析和验证;第三,对19种不同配方固体推进剂在工作压强为6-10MPa条件下开展了实验研究,获得了推进剂配方如(AP、RDX和Al)粒度、级配、含量等参数对响应函数的影响规律;最后,建立了AP多级配AP/HTPB推进剂压强耦合响应分析模型,分别对五种AP粒度(420μm、330μm、250μm、110μm和50μm)组合成的AP单级配、双级配、三级配和四级配推进剂开展了响应函数计算分析,获得了AP质量含量配比、粒度、级配以及配比变化对响应函数的影响规律,并与实验测量结果进行了对比分析。本文的研究工作和主要结果如下:(1)建立了发动机燃烧室一阶、二阶和三阶声振模态共同作用下的非线性压强耦合响应函数模型,获得了压强振荡幅值对非线性压强耦合响应函数的影响规律。计算结果表明,针对响应特性较强的推进剂来说,当压强振荡幅值从平衡压强的1%增大到30%时,发动机前三阶声模态的非线性响应函数值明显高于线性响应函数值。其中,一阶声模态非线性响应函数值增长4.2%~139.4%,二阶声模态非线性响应函数值增长18.27%~1074%,三阶声模态非线性响应函数值增长1.7%~930%。该模型可用来分析实际发动机中非线性压强振荡幅值对压强耦合响应特性的影响;(2)基于双脉冲激励T型燃烧器,建立了非线性压强耦合响应函数的实验研究方法,对比分析了3种固体推进剂的线性和非线性响应函数。首先,通过改变T型燃烧器长度开展了振荡频率分别约为144Hz、175Hz、255Hz、340Hz和670Hz条件下的线性压强耦合响应函数值的测量工作;其次,在相同的工作压强条件下,采用定长度T型燃烧器,通过改变脉冲激励方式开展了振荡基频约为144Hz和175Hz条件下的非线性响应函数值的测量工作;结果表明,三种推进剂的非线性响应函数值均明显高于线性响应函数值,证明了压强振荡幅值对压强耦合响应函数有较大的影响。将该实验结果与本文建立的非线性响应函数模型的计算结果进行了对比分析,其中一阶声振模态响应函数值误差小于10%,二阶声振模态响应函数值误差小于17%,三阶声振模态响应函数值误差小于30%。这一结果说明本文建立的非线性压强耦合响应函数模型可有效的将T型燃烧器测量结果和实际发动机声振荡特性相结合,为推进剂在实际发动机中的非线性压强耦合响应函数特性提供预估方法;(3)相同配方推进剂的非线性实验测量结果表明,工作压强对响应函数有较大的影响,基本上是随着工作压强的增大,响应函数值在整个振荡频率范围内呈增大的趋势变化;其中响应函数峰值变化最大,随着工作压强在6MPa~9.1MPa范围内变化,响应函数峰值从0.613增大至1.245,变化率约为15.6%~103%;(4)不同配方推进剂的非线性实验测量结果表明,在相同的燃速和工作压强条件下,AP粒度级配对响应函数影响较大。对比AP单级配和双级配推进剂实验结果,当采用细粒度AP(≤110μm)替代粗粒度AP(I类)时,并且随着细粒度的含量逐渐增大,响应函数值在中低频率(<350Hz)范围内逐渐降低,而在中高频(>500Hz)范围内逐渐增大,响应函数峰值逐渐降低并向高频移动;同样,在AP三级配和四级配推进剂中,用Ⅱ类或者Ⅲ类AP粒子替代部分I类AP粒含量,可有效的降低响应函数峰值并向高频移动;(5)建立了AP多级配AP/HTPB复合推进剂压强耦合响应函数预估模型。计算结果表明,AP多级配响应函数对AP粒度、质量含量配比以及工作压强等参数较为敏感。其中,小粒度AP提升高频的响应,大粒度AP提升低频的响应;即大粒度AP在中低频范围内响应函数值最大,且对配比变化敏感;而小粒度AP在中高频范围内响应函数值最大,且对配比变化不敏感。将该计算结果与实验测量结果进行对比分析,两者的变化趋势基本一致。