国防科学技术大学研究生院学位论文摘ﻩ要固体火箭发动机的内部工作过程极其复杂,几十年来，通过大量理论和实验研究, 对固体火箭发动机正常工作过程已有了较为深刻的了解，一些对工程设计具有重要指导 意义的数学模型和设计规范已逐步建立和完善然而,浇注式固体火箭发动机在固化冷 却、长途运输、长期储存、勤务处理和发射准备期间,药柱内可能产生裂纹、气泡和脱 粘等各种缺陷，这些缺陷会导致发动机工作时(尤其是点火瞬间）燃烧面积异常,从而 使发动机内弹道工作参数偏离设计值,严重时甚至造成发动机爆炸的恶性事故因此， 开展对装药含缺陷的固体火箭发动机工作过程进行深入研究,建立一套有效的固体火箭 发动机质量评判准则和体系,是目前国内外研究的前沿和热点之一本文通过对固体火箭发动机点火动力学过程的理论分析和数值模拟,开展固体火箭 发动机点火增压过程与装药裂纹相互作用机理的研究，深入研究点火过程中装药裂纹内 部微观动力学特性及其对发动机宏观内弹道特性的影响规律研究成果和方法对开展装 药中气泡、脱粘等缺陷研究同样适用,它对于深入揭示包含有装药缺陷的固体火箭发动 机动力学特性具有重要意义,为进一步开展含缺陷装药破坏机理研究和建立固体火箭发 动机质量评判准则奠定了坚实的技术基础。
本文主要研究内容如下: １通过对固体火箭发动机装药缺陷问题研究历史和最新进展的综述和分析，阐明了装药中的裂纹是造成发动机工作失效的最重要缺陷之一，而点火增压过程的非线性、非 定常流动现象是造成装药裂纹扩展的最重要因素之一,因此，深入研究点火增压过程与 装药裂纹相互作用的物理机理，对合理建立固体火箭发动机质量评判准则具有非常重要 的意义基于这一认识，提出了从固体火箭发动机点火过程的流体动力学特征入手，开 展固体火箭发动机装药缺陷问题研究的新思路分析了现有实验和计算手段开展这一问 题研究的局限性，首次提出了将发动机宏观内流场模拟与装药裂纹内的微观流场模拟相 结合的研究方案，该方案既可以对含裂纹固体装药的破坏机理进行研究，又可以将其结 果直接应用于固体火箭发动机质量评判2．运用数值模拟方法开展固体火箭发动机装药缺陷问题研究采用包含湍流、两相 流和化学非平衡流模型的N－S方程，应用能够方便地处理湍流、两相流和化学非平衡流 模型的统一离散方法编制了计算软件;在化学非平衡流动计算方面提出了解耦算法，有 效解决了计算过程中的刚性问题，该算法还具有公式推导简单和调整反应动力学模型方 便等优势;两相流动计算采用基于粒子仿真方法的颗粒轨道模型：湍流计算模式采用 k—s模型。
在此基础上通过与其它计算和试验结果的比较，对软件的可靠性进行了验证, 表明这一软件可以作为点火增压过程与装药裂纹相互作用机理研究的工具3.点火增压过程的宏观流动特性及其对发动机工作过程的影响研究.针对大型内孔第1页 / 国防科学技术大学研究生院学位论文燃烧固体火箭发动机中应用较多的点火发动机，从Ｎ．S方程出发,应用EＮO差分格式， 对具有潜入式喷管结构的某型号发动机点火初期形成的装药通道内的流场进行了数值 模拟，重点考察了点火冲击波对装药内表面的影响.计算结果显示点火发动机工作过程 中将出现超压较大的激波结构,造成装药通道内不同位置处出现程度不同的压力振荡. 这部分研究采取的是宏观流场模拟，主要了解点火发动机在复杂装药形状中不同位置产 生的冲击载荷,为下面的装药缺陷局部微观流场模拟提供依据.4．点火冲击波在装药裂纹内传播过程研究将宏观流场模拟得到的点火冲击波在观 测点上的压力值应用于微观流场的计算,微观流场模拟采用局部放大的近似模型,从完 全气体N—s方程出发，对激波绕射裂纹形成的非定常流场进行数值模拟首先对轴对称 情况下，激波在不同深度/宽度比值裂纹内传播时引起的压力振荡进行了分析；然后对三 维情况下展向长度的影响进行了研究.通过计算分析，得到了裂纹几何尺度对激波发展 过程及产生压力振荡的影响规律，从理论上较好地解释了美国Ｋ。
k Ｋou教授根据实验 结果提出的四种装药结构破坏模式,也为深入了解固体火箭发动机装药裂纹内的燃烧特 性奠定了基础.5采用局部放大近似模型,从化学非平衡流体动力学方程出发，对含有燃烧过程的 激波绕射裂纹形成的非定常流场进行了数值模拟,研究了真实发动机中燃烧条件下冲击 波对装药裂纹的影响结果显示，点火冲击波可以传播进入装药表面的裂纹内,即使没 有点火延迟，由于冲击波的动载荷影响较大，也可能导致装药结构破坏{装药内部的密 闭气泡则不受点火冲击波的影响这些计算结论可以很好地解释实验中发现的装药表面 裂纹和装药内部的密闭气泡两种缺陷引起的燃烧室压力异常有本质差别的现象,后者可 以用燃面增加理论进行预测，而前者产生的压力异常比按燃面增加理论预测的值大得多 这正是点火冲击波与裂纹相互作用的结果６.由于上述裂纹内的燃烧过程采用了局部微观模拟的方法，为了研究上述装药裂纹内的局部燃烧产物对发动机工作过程的宏观影响，采用在装药表面局部设置裂纹模拟装 药缺陷的思路,通过在装药的不同位置引入异常喷射速度等效模拟装药缺陷，计算中考 虑两相流模型计算显示,颗粒与燃气的相互作用对流场结构产生了较大影响，也为发 展更加精确的固体火箭发动机裂纹燃烧模型奠定了基础.关键词:固体火箭发动机,点火增压过程，装药裂纹，流动机理，化学反应流动,两相 流动，非定常流动，数值模拟。
第1I页国防科学技术大学研究生院学位论文ＡBSTＲACＴFｏr tｈe ｏpｅratiｏn prｏcess ofSRM is exｔｒemelｙ compｌｉcated．ｅxperiｍeｎtal aｎｄ tｈeoｒeｔical ｉｎvestigaｔｉoｎｓ on the process haｖe beｅn cｏｎdｕｃted fｏr ｓeveｒal decaｄes.Aｎd ｓomｅ siｇｕｉfiｃative matｈ mｏdelｓ anｄ crｉｔerｉoｎs havｅ ｂeeｎ eｓtａblishｅd for a ｎｏｒmａｌ ｏperａtion prｏcess of SRM. Deｆectｓ in pmpelｌａnt graiｎs can oｒiｇinate dｕring maｎufacture,traｎｓportation，ｓtoｒage,handｌe, igniｔion，combustioｎ，prｏcｅduｒes，whｉch ｍake the internal baｌlｉstiｃ parameteｒs dｅviaｔe frｏｍtｈe ｄesｉｇｎ，a catasｔrophiｃ acciｄeｎt sｕcｈ as dｅｆlagraｔiｏｎ anｄ ｄeｔoｎaｔioｎ mａy ｈappened tｏ ｔhｅＳＲＭ．Sｏ iｔ is neｃessarｙ to iｎvesｔigatｅ ｔhe operatｉon process ｏf ＳRM wｉth ｄefecｔ ｐｒopellantgrａin．Tｈe stｕdy ｏｆthe dｙnamics ｏfabnoｒmal oｐeraｔｉon prｏcess ｏfＳRＭ haｓ ｒepｏｒted little until ｎow.Tｈｅ deｐartmeｎt，which in ｃｈargｅ oｆ dｅｓｉgniｎg ｎew typｅ ｍissile,eｘｐeｃts ｒesearchｅrs tｏ estabｌiｓｈ a ｓet ofjuｄge criteｒioｎ and syｓtem deｔeｒminａtioｎ of SＲM failure aｎd to ｐrｏvide aguidaｎce ofproｌonｇing SRM liｆｅ.Tｈe requirements ｃomｐｏsｅ a background oｆthis rｅseaｒcｈ。
Tｈe intｅractiｏｎ mecｈanism oｆthe ignition pressurｉzaｔion ｐｒocess in tｈe ｐropellant ｇrain crａck is stuｄied by numｅriｃalｓimulａtion ｏf iｇnｉtioｎ ｄｙnamics ｐrocｅss of SＲMＴhe main worｋ of this theｓis tａil ｂe sulnｌnａriｚｅd as ｆoｌloｗｓ：1Based upon liｔｅrature surｖeｙ ofinｖｅstiｇａtionｓ condｕcted ｔｏ stuｄy the SRM witll defect proｐeｌlａｎt gｒain，an important vieｗpoinｔ ｉs provｉded，tｈat iｓ，duｒing the iｇnition pｒessuriｚation， makｉng the phenomeｎa ofnoｎ—lineariｔy ａnd unstｅadｙ flow ｉn sｏlid ｐropellant ｃracks cｌeａr ａｒeｇｒeatlｙ helpful tｏ unｄerstandｉnｇ ｐhysical meｃhaｎism of sｏlｉd prｏpeｌlant grａiｎｓ fａilｕre and toeｓtａｂliｓhｉng a cｒiterｉon determiｎaｔｉｏn of SRM faｉluｒe.Analyｚinｇ the limitaｔｉｏns oｆinvestｉgaｔions usinｇ eｘperｉmental and nｕmeｒicａl metｈodｓ aｎd analogiｚing ｔhｅ aboｖe phenomeｎa，an innovatｉｖe projeet ｉs pｕt forｗard，it uniｔes macro—fｉｅlｄ aｎd micro-ｆｉeld numericaｌ methｏｄs ｔo ｓｉｍulate the aboｖe phｅnｏmeｎa.Tｈe ｐroject iｓ not only a meｔｈod useｄto ｉnvｅsｔigａte the ｍｅchanｉｓm oｆ sｏｌid propｅｌlａｎt gｒaｉｎｓ蹦lure but also an implｅｍent oｆ criteｒion deｔerｍinａtｉoｎ ofSＲＭ faｉluｒe．2．The flow ｆｉeld in SRM wｉt王l deｆeｃｔ propelｌanｔ graｉn is studｉｅd by simulaｔｅｄ method．and ａ set of simulation software is eｓtａblishｅｄ and impｌementｅd．Baseｄ on Naviｅr—Stokｅs equaｔｉｏｎ；ａ ｕniforｍeｄ dispersed mｅthｏd is aｄoｐteｄ，wｈiｃh is ｓuitablｅ for ｄeaｌｉng ｗｉth tｕrbuleｎt flow，two·phase ｆｌoｗ，ａnd non—equilibrium fｌｏｗ；ｅspecially，ａll uｎｃoupled non—equｉｌｉbrｉｕm ｍｅｔｈoｄ is put forward to resolｖe the rｉgidity in non－equilｉｂｒium flow,anｄ this mｅthoｄ hａvｅ twｏ ｍain ａｄvantagｅs：sｉmple on dedｕcing foｒｍulａs ａnd ａdvantaｇeouｓ ｏn第Ⅲ页国防科学技术大学研究生院学位论文modulaｔing reａctioｎ dynamic modeｌs。
With tｈe ｐarticle sｉmulatiｏn ｍethod empｌoｙｅd to trａce ｔｈe traｊ。