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        侵蝕燃燒效應的影響因素

        時間:2023-02-12 理論教育 版權(quán)反饋
        【摘要】:理論分析和實驗研究均表明, 影響固體推進劑侵蝕燃燒效應的最主要因素是燃氣流速,同時氣體流動狀態(tài)、 推進劑性質(zhì)和裝藥藥柱形狀等也有重要影響。實驗研究表明, 平行于裝藥燃燒表面的燃氣流速是影響侵蝕燃燒效應最主要的因素。由于燃氣流動是固體火箭發(fā)動機中的必然現(xiàn)象,因此vth越小表示推進劑越容易出現(xiàn)侵蝕燃燒效應,對給定流動條件的發(fā)動機而言,vth越小表示侵蝕燃燒效應越嚴重。

        理論分析和實驗研究均表明, 影響固體推進劑侵蝕燃燒效應的最主要因素是燃氣流速,同時氣體流動狀態(tài)、 推進劑性質(zhì)和裝藥藥柱形狀等也有重要影響。

        1. 平行于燃燒表面的氣流速度影響

        實驗研究表明, 平行于裝藥燃燒表面的燃氣流速是影響侵蝕燃燒效應最主要的因素。圖3-12給出了不同流動馬赫數(shù)下幾種推進劑侵蝕比的實驗結(jié)果, 其中馬赫數(shù)Ma的定義參見5.3節(jié), 馬赫數(shù)增大時流速也增大, 反之亦然, 但兩者的變化不是呈正比關(guān)系。 由圖可見, 每一種推進劑都存在一個使ε=1的界限馬赫數(shù)Math(對應于界限速度vth),當Ma>Math時,ε隨Ma增大而增大;當Ma<Math時,有些推進劑ε=1,即無侵蝕效應, 而另一些推進劑ε<1, 即出現(xiàn)了負侵蝕現(xiàn)象,流動反而使燃速減小(注意,界限流速vth是按照燃速開始超過基本燃速時的流速定義的)。

        界限速度vth取決于推進劑的性質(zhì)及其他流動條件。 由于燃氣流動是固體火箭發(fā)動機中的必然現(xiàn)象,因此vth越小表示推進劑越容易出現(xiàn)侵蝕燃燒效應,對給定流動條件的發(fā)動機而言,vth越小表示侵蝕燃燒效應越嚴重。

        圖3-12 不同流動馬赫數(shù)下幾種推進劑侵蝕比的實驗結(jié)果

        2. 燃氣壓強的影響

        推進劑的界限流速與燃氣壓強有關(guān), 當裝藥燃燒表面上的燃氣靜壓p升高時, 界限流速vth減小,亦即侵蝕燃燒效應加劇。如圖3-13所示為某雙基推進劑燃氣壓強對侵蝕燃燒效應的影響, 從圖中還可看到, 燃氣流速越大, 壓強對侵蝕效應的影響也越大。 表3-2給出了某雙基推進劑和某復合推進劑的燃氣壓強與界限流速vth的對應關(guān)系,可見,無論雙基推進劑還是復合推進劑都有類似的影響規(guī)律。

        圖3-13 燃氣壓強對侵蝕燃燒效應的影響

        表3-2 燃氣壓強與界限流速vth的對應關(guān)系

        3. 推進劑性質(zhì)的影響

        推進劑性質(zhì)對侵蝕燃燒效應的影響體現(xiàn)在推進劑的基本燃速 (即無侵蝕燃速) 上。 一般情況下, 低燃速推進劑的侵蝕效應要比高燃速推進劑的大, 這種差別在圖3-12中已有明顯反映。 表3-3是四種雙基推進劑在p=9.81MPa條件下, 基本燃速與侵蝕燃燒效應界限流速對應關(guān)系的實驗結(jié)果。

        表3-3 基本燃速0與界限流速vth的對應關(guān)系

        4. 裝藥幾何形狀的影響

        裝藥幾何形狀對侵蝕燃燒效應也有一定影響。 通常情況下, 非圓孔裝藥的侵蝕燃速比圓孔裝藥的大, 如星孔裝藥比單孔管狀裝藥的侵蝕燃燒效應要大得多; 非圓孔裝藥沿周長不同位置處的侵蝕燃速也不相同, 例如, 星孔裝藥的星根處的侵蝕燃速要比星尖處大。 圖3-14給出了不同形狀裝藥的侵蝕常數(shù)Kδ,Kδ是后面定義的格林侵蝕函數(shù)式(3-21) 中的系數(shù),其值越大表示侵蝕燃燒效應越大。

        圖3-14 不同形狀裝藥的侵蝕常數(shù)Kδ

        (a) 薄肉厚圓管形,Kδ=0.20;(b) 有內(nèi)圓角的車輪形,Kδ=0.30;(c) 圓管套管形,Kδ=0.55;(d) 車輪形,Kδ=0.25;(e) 有內(nèi)圓周的八角星形,Kδ=0.34;(f) 樹枝形,Kδ=0.53;(g) 五角星形,Kδ=0.75;(h) 有內(nèi)圓周的六角星形,Kδ=0.40

        5. 侵蝕燃燒的尺寸效應

        實驗研究表明, 在推進劑配方和發(fā)動機工作條件一定的情況下, 大尺寸發(fā)動機的侵蝕效應小于小尺寸發(fā)動機, 因此, 用小尺寸發(fā)動機或小型的專門實驗裝置測出的侵蝕比, 必須經(jīng)過必要的修正之后才能用于大尺寸發(fā)動機。

        根據(jù)后面給出的L-R公式 (3-26) 可知, 在推進劑和發(fā)動機工作條件一定時, 裝藥侵蝕燃速的增量Δ 與裝藥通道的當量直徑Dp的0.2次方成反比。于是由式(3-26)可得

        式中,ε1和ε2分別為裝藥通道當量直徑為Dp1和Dp2時的侵蝕比。

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