变截面星孔装药设计.pdf

变截面星孑L 装药设计王占利高风莲郑凯( 航天科工集团二院2 1 0 所西安7 1 0 0 6 5 )摘要：本文分析了星孔药型的燃面变化规律，提出了星孔药型实现近似恒面燃烧的基本思想( 方法) 及燃面计算方法，结合X X - X 助推器设计进行了设计和试验验证，结果表明此方法简便，适合走长径比发动机，特别是助推器发动机的使用．主题词；星孔药型燃面计算助推器1 前言由于星孔装药初始燃面大．燃面调节方便，装填分数大，对燃烧室绝热性能好，装药芯模加工简单等一系列优点，因此被广泛用于战略、战术发动机对于大长径比、高装填分数的发动机，传统的等截面星孔装药会产生较高的侵蚀峰和第二压强峰( 即“马鞍形”) 为了降低初始侵蚀峰或者在保持较大初始燃面的同时进一步提高星孔装药的装填分数，获得近似恒面性的燃面变化规律，本文采用了变截面星孔装约变截面星孔装药属于三维装药，燃面计算可采用通用三维设计计算软件，但此法计算较复杂本文介绍了一种简便可行的变截面星孔装药计算方法，并应用于产品设计试验表明，试验结果与理论计算基本吻合2 变截面星孔装药的结构特点及几何参数变截面星孔装药由前、后两段组成前段为直星孔，后段为变截面星孔。

前后两段星孔的星根内切圆直径、星根圆弧半径、星边夹角分别相同，其结构见图I ④◇⑨图1 变截面星孔装药示意图一9 l 一药柱的几何参数：药柱外径D 星根圆直径D i星角数n药柱长L直星孔长岛变星孔长工l星边夹角口星根圆半径，，星尖圆半径r1 截面星孔特征长，l 截面星角系数fJ2 截面星孔特征长如2 截面星角系数f2变截面星孔装药的设计参数：蹄一装药总的燃面 s b l 、S b 2 - —一变星孔和直星孔段装药燃面J l 、J 2 _ 一装药1 、2 截面初始通气参量A m 爿∞——装药1 、2 截面初始通气面积 目v _ 装药体积装填分数3 燃面变化规律及实现恒面的要点3 ．1直星孔的燃面变化规律直星孔的燃面变化规律为“马鞍形”，有四个不同的燃烧区，见图2 图2 直星孔的燃面变化曲线I 区是星尖角被圆滑( ，，) 后，产生的一段线性增面燃烧区( 虚线为r ，= 0 时的燃面变化情况) ，星尖被圆滑后，初始燃面减小，而内通道通气面积增大，对大长径比发动机有减小侵蚀的作用效果I I 区为线性区，燃面的变化规律根据星角数n 和星边夹角的不同可呈现增面、恒面或减面燃烧，通常设计为减面或恒面。

一9 2 —Ⅱl 区通常为增面区，增面比的大小取决于所设计药型的最小燃面和星孔装药的主肉厚所一般当燃烧肉厚等于主肉厚时，认为燃烧结束，进入拖尾段Ⅳ区为余药燃烧区，且总是减面的余药面积与星角数H 、星角系数e 、主肉厚有关，余药面积随星角数n 的增加而减小，髓星角系数e 减小而减小，且余药面积在( e I + f ) ／辟l 时，为最小值 3 ，2 实现恒面的要点根据星孔药型燃面的变化规律，要实现恒面燃烧，主要从以下几个方面考虑：1 ) 星尖被圆化后，I 区为线性增面t 对于人艮径比的发动机可适当利用侵蚀，使曲线的初始段基本得到弥补，达到I I 区的燃面水平主要方法是调节面通比J ‰或面喉比^2 ) I I 区的恒面性土要是通过星角数n 与星边半角o ／2 的匹配实现的通常星角数取n ：6 - - 8 ，相应的星边、# 角在纠2 附近选取，一般Ⅱ区设计为略带减面，以提高初始推力3 ) 为了使I I I 区达到近似恒面燃烧，且燃面与I I 区燃面大小基本相等，可在装药的后段开斜星孔( 特征长度逐渐增大) t 一方面抬高I 、I I 区的燃面，减小ⅡI 区的增燃面性，使Ⅱ与Ⅲ燃面基本相等：5 ] - -方面可增加装药后段的通气面积，降低过高的初始侵蚀峰，这一点对大肉厚大长径比发动机很重要；第三方面，由于药柱后段过甲．地进入Ⅳ区，后段的余药参与了前段药柱的ⅡI 区燃烧，使发动机最终的余药 面积减小。

4 ) 减小Ⅳ区的拖尾效应主要是选取较大n 值( 一般选6 - - 8 ) 和适中的星角系数E ，同时选取主肉厚( e 一+ r ) ／l = 0 ·8 5 来达到较小的余药，并通过变星孔的后端面效应，减小余药燃烧产生的后效冲量通过采取上述各项措施- 所构造的变截面星孔装药基本可以实现发动机近似恒面燃烧，并达到较高 的体积装分数，提高发动机的性能4 变截面星子L 装药燃面计算变截面星孔装药由直星孔段和变截面星孔段组成，燃面可按直星孔和变星孔分别计算直星孔燃面s b 2 计算方法见参考文献[ 3 ] 、[ 4 ] 的计算公式计算，公式省略本文重点讨论变截面段燃面计算问题，变截面段如图3 ，由图可见，变截面段的星角系数随特征长度的增大而增大图3 变截面段星孔图一9 3 —将变截面段分为n 段．每个微段可近似成直星孔，分别求出每个微段的特征长度、星角系数和燃面，将每个微段的燃面相加，即可得到变截面星孔段的燃面星孔参数见图3 △x = L l ／n( 1 )特征长度的变化斜率为则第i 点的特征长度为星角系数的变化率为则第i 点的星角系数s i n i 0 一，一( z —s i n 罢] 一e 2k ，= t g - 1 嘲1 f = f 2 + 血·t g k l ·i缸= 喀’1 降】s i = s 2 + i ·缸·t g k6分别计算第i 个截面的其它特征参数 ％：拿t - rf f ．s i n 占，兰 e ；= —1 产一，C O S 一2e m i = 扫再石可五万而一，第i 个微段的燃面计算按一般直星孔装药的燃面计算公式计算，公式略去。

变截面星孔段的燃面：S ∑S ，f —l总燃面：一9 4 一( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 )( 7 )( 8 )( 8 )( 1 0 )玎一厅栉一万、●●●●●●●●，●●●●●●●●，、●●●●●●●L，●●●●●J掣nnSS一一口一2目一2，●●●●●●●●‘●●，●●●●L，●●●●●●●，‘●●●●●●●LI l=毛岛S b = S b I + S b 2( 1 2 )5 应用实例根据以上的公式( 1 ) 叫1 2 ) ，编制了变截面星孔装药设计计算机程序，州I - X X - X 助推器设计此助推器长径比I J O = 6 ．5 ，双发同步点火、同步工作，平均推力大且偏差较小为了达到设计要求，选用了变截面星孔装约，星孔参数如F ：星角数n = 7星边夹角0 = 6 8 特征长度，l ／／2 = 6 8 ／5 2星根内切圆直径o = 6 0星角系数￡1 ／￡产0 ．9 9 ／0 ．8 9 一通气参量J 1 卸．2 4 8发动机地面试验血线平稳，波动很小，P x ／1t ／, ；1 ．0 6 ，体积装填分数O ．8 3 ，初始段部分利用了侵蚀，较好地解决了初始大推力和侵蚀峰的矛盾，理论设计曲线( 虚线) 和试验曲线( 实线) 对比见图4 。

OO0 51O152O2 53O3 ．54Ot ( s )图4 压强一时问曲线6 结论本文提出的变截面星孔装药设计方法简便、实用，试验结果与理论计算基本吻合此装药结构适合初始大推力、大长径比的发动机采用，能较好地降低初始侵蚀峰，实现恒面燃烧( 恒推力) ，且芯模加工简便，具有应用推广价值参考文献【I 】季宗德董师颜，变截面星孔装药设计，兵工学报弹箭分册，N o3 ，1 9 9 0【2 】郑凯，变截面星形装药设计，航天第三专业信息网会议论文集，1 9 9 9—9 5 —5296aO一日也王一山【3 】工光林等，固体火箭发动机设计，航空专业教材出版社- 1 9 8 2【4 】二E 元有等，固体火箭发动机设计，国防工业出版社，1 9 8 0【5 ] 5W mT e dB r o o k s ，B a l l i s t i cO p t i m i z a t i o no ft h eS l a tG r a i nC o n f i g r a t i o n ，J o u r n a lo fS p a c e c r a f ta n dR o c k e t s ，V 0 1 ．1 9 , N o ．1 ，J A N —F E B ，1 9 8 2—9 6。