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1、固体冲压发动机变喉面流量调节技术 姜洲夏智勋张龙 ( 国防科技大学航天与材料工程学院，长沙4 1 0 0 7 3 ) 摘要：对变喉面流量调节原理进行分行，讨论了影响变喉面调节的相关因素，对一些可行的 调节方案进行比较，最后对三种典型变喉面调节方案进行对比分析找出雯喉面调节技术发暴重点 主题词：燃气发生器，变- 擤= 面，流量控制 I 引言 现代空中作战需要空空导弹具备速度快、体积小、重量轻，机动性能好特点，以更好的适应大空域 大射程的战斗需要固体火箭冲压发动机是新一代超声速中中远程空宝导弹首选的动力装置般情况 下固体火箭绅压发动机所使用的燃起发生器的固体燃料流量是固定的。如果导弹的作战空域过大
2、，发动 机将会随作战高度增加而整体性能会急剧下降。为了适应空空导弹增大射程扩大飞行高度和速度的范 围，多弹道作战性能的需要，必须需求有效控砖4 燃料流量的途径从2 0 世纪7 0 年代开始为了适应轻型 中程空空导弹的发展的需要，美、俄、法、德、英、南非等军事大国对整体式固体火箭冲压发动机进行 广泛德研究。8 0 年代荚国空军就开展了可变流量整体式固体火箭冲压发动机的研究计划。美国海军山 狗”( C o y o t e ) 超声速掠海靶弹( S S S T ) 上使用的M A R C R 2 9 2 型固体冲压式发动机就用了可控流量调节 装置该弹今年己获得小批量钓生产合同。法、英等菌家瓿7 0
3、年代起就一直开展低成本自适应流量调节 的方案的研究。德国则致力于含硼推进剂和可控燃料流量调节技术的研究。已取得多项实用成果。“流 星 ( M e t e r ) 超视距空宝导弹( B V R A h 勺就采用含硼高能贫氧推进剂和可控流量调节技术据推测流星导 弹的流量调节比超过1 0 。该弹将陆续装备欧盟各国燃气发生器燃料调节方案有多种其中最有效的调 节方案是改变喷管喉道面积来政变燃气流量该方寰适用于燃速对压力敏感的富燃辩推进剂。下匿藏变 喉面调节技术的原理和典型调节方案给予介绍。 2 调节的原因 在冲压发动机飞行过程中，空气的进气量随飞行高度H 和速度师变化厕贫氧推进齐j 的大部分能量 是在二
4、次补燃过程中释放出来的，只有当空燃L - t k ：E 某一设计值l ( 0 时。发动机才能获得最佳工作效果。空燃 比k 偏离l 【o 值越远，则发动机工作效果越差因此，在飞行过程中应尽力保证空燃比在l 【0 左右，不要偏离太 远a 我们就必须对燃气发生器的流量进行调节。此外实现流量的精确调节能提高导弹的机动性，减少目 标的逃逸在跟踪目标时可以提高燃气的流量来提高飞行速度，随速度的提高，空气流量也会相应增 大，跟踪目标的时间也会减小 3 变喉面调节方案 3 1 变喉面调节方案的基本原理 变喉面的调节是燃气发生器流量调节最有效、但也是最困难的一种方案。在这种方案中，燃气发生 器的工作压强P g
5、较高，一般在0 5 1 5 M P a , 它受位于喷管喉部的外部构件控制通过构件来改变喷喉面积， 进而改变压强P g 来改变燃气质量流量m f ，在保证壅塞条件下P g 与补燃室压强P c 无关进入补燃室的燃气 质量连续方程为由燃气的生成率方程 g 魄刮p p S b 2 吨p 产b ：L ) 和排出率方程 n 可导出平衡压力培和各参数之间的关系式 式中燃烧面积： p c 9 2刳焉 I ( 2 ) ( 3 ) q “ 瘤燃气生成置； 燃气发生器喉道面积； C g 特征燃烧速度。 分析上面各式，可知用燃 调节装置的整体稳定性和伺服机构的协调性 以上六点因素也是调节阀实现的难点。对于用于调节阀
6、的材料而言，国内外都做过大量的实验，目 前比较成熟的材料是碳一碳硅的合成材料、铝的化合物、铼的化合物，锫铼的碳化物，前面两种材料的 经济和实用性较好目前国内铝的合成物在1 9 0 0 摄氏度试车很稳定随新型密封材科的出现，对再节阀 和构件的高压密封问题也将不是难题- 调节阀和喉道的耦台皿题，乳们可以通过敷值模拟和实验的手段 来优化设计装置与弹的兼容型我们要根据总体参数来优化设计。使弹的性能参数最优情况下，调节装 置能稳定可靠的工作调节装置的整体稳定性和伺服机构的协调性则需要大量的实验来局部优化改进。 总之对于调节装置实现的关键环节上应该在整体优化的条件下追隶局部的性能最优。 4 几种典型的变喉
7、面方案 这里只是介绍调节阀和喉道耦合性较好的几种变喉面方案。常见变喉面中耦舍性和兼容性较好是锥 阍、柱塞阀和截盘阀。下面分别给予介绍 4 I 锥阔调节方案 锥阀调节的基本原理是通过传动构件使锥阀前后移动来改变喉道流通面积实现调节的。该方案优点 一是具有很强的流量调节能力，调节面宽精度高。二是燃气发生器工作压强一般都高于贫氧推进剂的临 界压强有荦j 于维持稳定的次燃烧；通过第一次燃烧来提高二次补燃的效率。一次燃烧产物的温度蘧瓦 则二次燃烧室中的点火越快，金属微粒燃烧越充分，尤其对要求点火温度高( 1 8 0 0 2 0 0 0 K ) 、燃烧困难的硼 粒子，一次燃烧温度是其孙燃效率的决定性因素。
8、三是该结构有利于弹的结构紧凑，方便控制系统的集 成四是锥阀的调节传动形式多样化能有效解决空间不足的问题。这种方案的弊端：一是高压密封的难 度较大在高温高压对密封材料和密封方法都是严竣的考验，二是燃烧产物中大量凝相柱子易于沉积在 中心体的表凰造成喉道阻塞。因此，在这种调节方案中+ 要求贫氧推进剂具有很高的喷射效率( 9 8 ) 三是由于流蹙调节是由锥体的运动来实现的，它对控制系统的精度要求非常高。根据整体睦和空间布局 的需要，锥阀一般有下面三种不同的布局形式； 圈1 锥阀流量调节示意圈 、壳体2 、轴套! 、推动轴4 、蓑药s 、密封停6 ，：i 毒节稿 1 3 2 荔缀溯 彩黝勰 图2 、3
9、锥阍流量调节示意图 l ，壳体2 、装药3 ，密封件4 、轴套5 、传动轴6 调节阔 从布局来看第一种形式更适合小弹径的燃气发生器，弹的兼容性较好；后两种形式更适合大弹径的 燃起发生器，因为喉部外有足够的空间可以利用。从实现的复杂性看，后两种更为复杂。 ， 4 2 截盘阀变喉面调节方案 截盘阀机构的基本原理是通过一个可以移动光滑盘( 一般有特殊型面) 来遮住部分燃起发生器喉道 面积来实现调节该结构的优点，第一点能有效的避免喉道突然沉积带来的危险变喉面通道面积比较 集中，不象锥阀通道是个圆环第二点变化的裕度比较大，改变喉道面积比较明显第三点结构比较紧 凑。不足之处t 一是调节的精度不高。二是该结
10、掏对空圊有一定的要求三是执行机构相对复杂，整体 可靠性会降低基本实现形式如下：截盘的传动形式一般有两种：旋转式和插入式两种形式适合不同 的空间布局 縻骖隽 图4 截盘阍流量调节示意图 1 壳体2 ，装药3 、4 、截盘或滑盘又喉道 4 3 柱纂阔变喉面调节方寨 柱塞阀调节机构的基本原理是通过柱塞插入来改变喉部的流通面积实现调节。该结构的优点：一是 结构实现形式相对简单。传动机件不复杂。= 是能很有效的避免喉道突然沉积带来的危险。三是该结构 可以通过对柱塞的改造实现精确调节：如将单柱塞改成多柱塞或单柱塞多级化或柱塞型面特殊化。该调 节装置的不足之处：一是装置对空间有一定的要求。二是柱塞闺的材料要
11、求更高它工作的环境和受载 更复杂三是采用高精确的多塞调节，会加大装置复杂性。基本实现形式如下圉从适应上看。截盘阀 和柱塞阀更适合大弹径的燃气发生器调节 3 3 5 结束语 一一 圉5 挂砉褐流量调节示意圈 l 、壳体2 、装药3 、拄塞阀4 、传动轴5 、喉道 变喉面调节技术目前在国内还是研究实验阶段，跟国外研究成果相比我们还有一定的差距要弥补 这段差距我们还有以下工作可做。首先要进一步完善各种调节阀和喉道耦台型面的优化设计并通过大量 实验来校正其次加紧研制高性能富燃推进剂；再者要合成性能更优良的调节材料和提高机械加工工艺 水平通过大家共同努力，我盯】一定会提高教g 】自己调节技本水平。 参考文献 【l 】置鲁勋，等固体冲压发动机调节特性研究旧联合推进舍议论文集，1 9 9 8 ， 【刁刘新洲主编，固体火箭发动机动力装置- 宇航出版社，1 9 9 5 嗍王志结，等，固件火箭冲压发动机燃气流量调节技术研究 【4 】申法义等，固体燃抖流量调节地面试验系统，中国航天第八专业信息网2 0 0 3 年度技术信息交流会论文集
