國外固體火箭發(fā)動機推力控制方案研究

國外固體火箭發(fā)動機推力控制方案研究

1變推力室技術為了提高武器的機動性和預測性，作為一種武器動詞，它需要具備脈沖控制，尤其是脈沖隨機控制的功能。推力調節(jié)技術是固體發(fā)動機的一個重要領域,與推力預定的發(fā)動機(如單室雙推力、脈沖發(fā)動機等)相比,前者更能合理地分配推進劑能量,根據(jù)導彈需要調節(jié)其推力,這是未來戰(zhàn)術導彈固體火箭發(fā)動機的發(fā)展趨勢。實現(xiàn)推力的隨機控制將意味著固體發(fā)動機技術的重大突破。從20世紀60年代起,國外為可控推力固體火箭發(fā)動機的理論和實驗研究作了大量的工作,探索出了很多技術途徑和設計方案,有的已經(jīng)進入實際使用階段,如美國三叉戟導彈末助推系統(tǒng),前蘇聯(lián)研究的膠狀推進劑發(fā)動機方案。1993年后,美國為滿足戰(zhàn)區(qū)導彈防御系統(tǒng)(TMD)的需要,開始了對微型推進劑系統(tǒng)的大量研究。TMD攔截器必須以最少的發(fā)射單元和導彈數(shù)量覆蓋大的作戰(zhàn)空域,并防御近距離或遠距離來襲的目標群,這就需要一種完全可控的軌控、姿控系統(tǒng)(DACS)來控制攔截器的機動飛行,通過側向推力修正預測攔截誤差并制導動能彈頭直接碰撞目標,進行有效的攔截。變推力室技術在姿控、軌控發(fā)動機領域具有廣泛的應用。美國航空噴氣公司在證明固體DACS具有與液體DACS同樣靈活性的同時,指出固體DACS更安全可靠,并可降低成本。這種DACS就是EXCELS(大氣層內(nèi)、可控的、可關機的輕型固體發(fā)動機),是可付諸于生產(chǎn)的固體DACS。2高推力發(fā)動機按工作原理分類,主要有6種方案:調節(jié)噴管喉部面積的發(fā)動機;控制推進劑質量燃速的變推力發(fā)動機;加質發(fā)動機;膠狀推進劑發(fā)動機;層狀發(fā)動機;熄火發(fā)動機。2.1控制噴管喉嚨周圍的發(fā)動機2.1.1喉栓影響發(fā)動機的工作特性采用這種方案控制固體火箭發(fā)動機推力,其推力調節(jié)范圍大,推力調節(jié)比至少為10,甚至可達100,而且這種方案可使固體火箭發(fā)動機實現(xiàn)熄火和多次啟動。該方案由安裝在燃燒室支承套內(nèi)的液壓驅動喉栓來完成,喉栓根據(jù)指令沿著發(fā)動機中心線作前后移動,使噴管喉部面積發(fā)生變化,從而改變推力大小。當喉栓全部縮回支承套內(nèi)時,噴管喉口全部開啟,這時噴管喉部面積最大,燃燒室內(nèi)壓強下降,在降至低于能維持推進劑燃燒的最小壓強時,發(fā)動機便熄火,推力終止;當喉栓全部伸向噴管喉部時,喉部面積最小,燃燒室壓強最高,所產(chǎn)生的推力也就最大;如果喉栓的位置處于全部縮回和伸出的中間狀態(tài),發(fā)動機的工作壓強和推力就取決于推進劑的特性,特別是取決于推進劑燃速的壓強指數(shù)或推進劑燃速對發(fā)動機工作的變化率。這種方案的固體火箭發(fā)動機如果采用可熄火推進劑并設置多次點火器,便可實現(xiàn)多次停止/重復啟動。2.1.2渦流閥的作用用渦流閥法控制固體火箭發(fā)動機燃燒室壓強具有獨特的優(yōu)點。渦流閥是一種不帶活動部件而能調節(jié)流量的流體控制元件。渦流閥火箭發(fā)動機除了可實現(xiàn)推力調節(jié)外,還可通過在適當位置配置和控制渦流閥,來實現(xiàn)推力向量控制,其不足之處是旋轉易造成噴管損失。渦流閥在結構上是軸對稱的,有一個中心塞體用于調整主燃氣流動方向,主燃氣經(jīng)流道進入渦旋塞室,在中心塞體后端面與噴管入口之間形成的一個高度很小的腔為渦旋室。殼體上開有切向控制燃氣噴射孔,在無切向控制時,喉部流通面積最大,推力最小甚至熄火。當有切向控制氣流噴入時,渦流閥使控制氣流與燃燒室氣流相混合,從而使之旋轉。氣流的切向速度增大,由此而形成的壓強梯度增大,氣流的阻力也就增大,這樣促使燃燒室壓強升高,推力增大,便可達到推力調節(jié)的目的。渦流閥發(fā)動機有兩種典型方案:渦流閥旁路方案和渦流閥噴管方案。渦流閥旁路方案可實現(xiàn)對主噴管排出流量的調節(jié);渦流閥噴管方案,適用于小型固體火箭發(fā)動機。2.2控制燃料質量的可變動力2.2.1光導纖維熱燃燒模擬該方法是從推進劑加金屬絲提高燃速的技術中引申而來的。在端面燃燒的發(fā)動機藥柱內(nèi)埋入像金屬絲那樣傳熱性能好的光導纖維(圖1),使發(fā)動機在燃燒表面形成錐形燃面,靠改變纖維中的光強來改變推進劑的燃速,從而改變強迫錐的燃燒錐角,達到改變?nèi)紵覊簭娂鞍l(fā)動機推力的目的。2.2.2采用并無任何有利于燃料活性的高燃速可選用主導研究進展該方法用于控制毛細管(代替金屬絲)的燃氣流量來控制燃速(圖2)。埋置于端面燃燒劑的毛細管與發(fā)動機的受控閥門相連,調節(jié)閥門位置,控制毛細管燃氣流量,改變毛細管與推進劑的換熱,即可實現(xiàn)推進劑燃速隨機控制。為獲得最大燃速,當進入毛細管的燃氣流量小時,應采用高導熱毛細管,而燃氣流量大時,則應采用低密度和低比熱的材料為最佳。此法的突出特點是燃速調節(jié)范圍大,缺點是高溫下的閥門和結構材料較難解決。該方法是由美國學者研究的一種較新型的控制推進劑質量燃速的方法,其特點是推力變化比較大而燃燒壓強變化很小。在可控推力火箭發(fā)動機或氣體發(fā)生器的可變截面噴管中,隨著噴管截面的改變,藥柱的燃速必須與壓強成指數(shù)關系。采用大的正壓強指數(shù)(0.5<n<1)的推進劑,由于噴管截面只要有較小的變化,燃燒室壓強變化就會很大,這樣發(fā)動機殼體必須設計成能承受較高的平均壓強,而且推力控制響應的速度也較慢。采用負壓強指數(shù)藥柱的方案就能克服上述缺點,即用一個由負壓強指數(shù)推進劑制作成的藥芯來代替埋在主推進劑中的金屬絲,使這個負壓強指數(shù)推進劑藥芯形成高燃速區(qū),從而由它來決定強迫錐燃燒角度。當用可改變噴管截面來改變?nèi)紵覊簭姇r,它不僅可以調節(jié)推力的大小,而且使整個藥柱具有強烈的負壓強指數(shù)特性。由于主推進劑仍可以采用高性能配方,故發(fā)動機的內(nèi)彈道特性基本上不會降低。2.3膠狀不同催化劑工作原理膠狀發(fā)動機可脈沖式提供燃料,具有直接通過燃料消耗改變控制推力特性的能力,實現(xiàn)推力的隨機調節(jié),在可控性方面,膠狀發(fā)動機有與液體推進劑發(fā)動機相似的優(yōu)點。膠狀發(fā)動機的研究與膠狀推進劑的研究是同步進行的。膠狀推進劑是一種界于固體燃料與液體燃料之間的中間燃料,比液體或固體推進劑更安全。它能滿足戰(zhàn)略導彈末速修正和彈頭機動飛行提出的重量輕、有大推力調節(jié)范圍、結構簡單、反應快、機動性好的姿控發(fā)動機的要求。膠狀推進劑發(fā)動機工作原理見圖3。發(fā)動機中間是一固體管狀裝藥,點火時,點火藥盒首先點燃固體管狀裝藥,壓強傳遞回去,擠出膠狀推進劑。膠狀推進劑從8個管孔出來后即開始燃燒。通過調節(jié)管道流量即可控制其推力。固體裝藥需工作到發(fā)動機工作完畢,起一個常明火的作用,即一直維持燃燒室的壓強以保證膠狀推進劑隨時能夠點火。這種形式的發(fā)動機通過調節(jié)燃料的供應,加上噴管的同步調節(jié),可大幅度調節(jié)推力,從而達到改善精度的目的。2.4雙室開/關發(fā)動機此種發(fā)動機概念是由美國MotonThiokol提出的,由高能助推發(fā)動機和雙室開/關發(fā)動機兩部分組成,其間由易碎膜片隔開。發(fā)動機工作時,首先由高能助推發(fā)動機提供大部分的沖量,助推器工作完后,其頭部易碎膜片打開,雙室開/關發(fā)動機開始工作。雙室開/關發(fā)動機頭部有一個燃氣發(fā)生器,通過開關式傾斜活門產(chǎn)生的突然壓降來實現(xiàn)發(fā)動機熄火。重新啟動則依靠一個多次點火系統(tǒng)來實現(xiàn)。2.5發(fā)動機的工作原理由F-15飛機在空中發(fā)射的反衛(wèi)星(ASAT)系統(tǒng)的助推器SRAM-A就是最有代表性的例子,它是一個脈沖控制的可控發(fā)動機。在空間飛行和武器中采用的發(fā)動機,要求既能穩(wěn)態(tài)工作又能脈沖工作,特別對于反復多次點火的脈沖工作狀態(tài),要求發(fā)動機點火迅速(即點火延遲期短)。脈沖發(fā)動機是由多個惰性限燃層將裝藥分開的單室發(fā)動機,每個分開的藥柱都有自己獨立的點火系統(tǒng),從而獲得多次關閉與重新啟動的能力。美國正在研制的防區(qū)外發(fā)射近程攻擊導彈SQAM-Ⅱ及其戰(zhàn)術型SQAM-T使用的就是雙脈沖發(fā)動機,但這類發(fā)動機最大的缺點就是各個脈沖的推力值為事先安排好的,無法在飛行中隨機改變,而且當脈沖次數(shù)多、工作時間長時,阻燃層的阻燃、絕熱及其可靠性將是嚴峻問題。2.6快速降壓燃燒機理該類型發(fā)動機也是一個脈沖控制的可控發(fā)動機,需要有多次啟動的點火系統(tǒng)來輔助完成熄火的再啟動。目前此類發(fā)動機又分為降壓熄火、噴射液體熄火和噴射固體滅火劑熄火。降壓熄火是通過增大排氣面積,使瞬時壓強下降速率dp/dt達到一定的臨界值,引起燃面凝聚相區(qū)溫度分布的劇烈變化,破壞正常燃燒,從而導致發(fā)動機熄火。固體推進劑快速降壓熄火的機理:一方面,在較高的降壓速率下,從燃面產(chǎn)生氣體反應物的量仍近似等于初始壓強狀態(tài)下的值,然而在較低壓強下,氣相化學反應速度降低,分解產(chǎn)生的氣相反應物未完全氧化反應就很快從燃面流走,所產(chǎn)生的能量損失嚴重時,可破壞燃燒條件而使燃燒中斷;另一方面,快速降壓時燃面溫度近似不變,低壓強下固相加熱層的儲存能量大于高壓強下固相加熱層的儲存能量,然而低壓下氣相反應區(qū)變厚,反饋到加熱層的熱量減少,這一矛盾嚴重時,也可使固體推進劑在其爆燃極限壓強以上的條件下發(fā)生熄火。噴射液體或固體滅火劑熄火是向固體推進劑燃面上噴射液體或固體滅火物質,使燃面冷卻或使燃面受滅火劑覆蓋而與氣相區(qū)瞬時隔離阻止燃燒,以使推進劑強制熄火。3用于可控固體車輛的應用3.1使用分布式控制系統(tǒng)固體DACS技術的發(fā)展目標確定于1993年,在完全可控的EXCELSDACS的發(fā)展目標中,針對可分離和不可分離的攔截器,EXCELSDACS采用許多不同的配置。EXCELS的兩個關鍵配置見圖4,左邊的DACS是適合大氣層外使命的節(jié)流式DACS,軌控和姿控發(fā)動機系統(tǒng)共用一個燃燒室,并在慣性飛行期間調節(jié)燃燒室壓強,為軌控機動段保存推進劑。SM-3DACS上已應用了這種裝置。圖4右邊展示的裝置在兩次軌控發(fā)動機點火之間熄滅推進劑,用來保存推進劑、減少熱載荷。該裝置將熱貯存器中貯存的熱氣提供給DACS進行連續(xù)工作,它不受軌控支配,甚至當軌控發(fā)動機關機時,還可以產(chǎn)生高DACS推力,所以這種配置適用于大氣層的任務。這種配置已被應用到AITDACS上。節(jié)流式SM-3EXCELSDACS只經(jīng)過一次以上點火后,就可通過控制燃燒壓強適應不同的任務需求。利用交互式控制系統(tǒng),用戶可以選擇軌控的工作時間及延續(xù)時間。一旦軌控開始工作,發(fā)動機把壓強調回到高壓狀態(tài),以便獲得具有快速響應的額定推力。AITEXCELSDACS通過點火和熄火若干次,可將推進劑使用時間延長超過300s。每次軌控發(fā)動機按照指令點燃固體推進劑,燃燒室氣體壓強上升到軌控發(fā)動機和DACS貯存器的工作壓強。當達到額定壓強時,釋放軌控推力,熄滅固體推進劑。利用交互式控制系統(tǒng),用戶同樣可以選擇軌控的工作時間及延續(xù)時間;AITEXCELSDACS還減少了長時間飛行所必需的推進劑質量,提高了飛行速度。3.2發(fā)動機推力的增加上海航天局806所已成功地進行了略大于一般輔助動力裝置的實用規(guī)模演示試驗,原理是用冷氣噴入渦流閥以改變噴管喉部有效通氣面積的辦法來改變發(fā)動機推力大小。試驗結果表明,發(fā)動機推力的大小可按指令信號,通過伺服系統(tǒng)改變噴入渦流閥的控制氣流(氮氣、氧氣或空氣)的壓強來調節(jié),指令分別為部分正弦信號及方波信號時所得的發(fā)動機推力。渦流閥用鎢滲銅制成,經(jīng)受了每次歷時3s的多次試驗考驗,并有能力承受長達70～80s工作時間考驗。試驗分別采用氮氣、氧氣及空氣作為控制氣體,其中氧氣效果最好。4固體發(fā)動機推力大小的研