短脉冲推冲序列原理研究

短脉冲推冲序列原理研究主要包括点火原理、燃烧原理、做功原理及其相互间的能量匹配规律。通过建立数学模型和解方程组的方法，模拟短脉冲推冲序列点火-燃烧机理；用计算和试验的方法，获得做功特征及规律。

1. 短脉冲推冲器点火原理

使用CFD软件Fluent就点火进行较全面的系统建模、变参数计算与分析。根据计算分析结果，给出快速推冲器点火流量特性，为短脉冲推冲序列设计提供参考依据。

2. 数学模型——控制方程

控制方程是点火机理与点火匹配研究的数学模型，主要由燃气守恒方程、k-ε湍流方程和主装药能量方程等组成。

3. 短脉冲推冲器结构点火过程的计算网格划分

在不改变主要特性尺寸的条件下，将快速推冲器计算区域简化为图7.16所示的模型。网格划分使用四边形网格。同时，为提高点火燃气与主装药表面间的传热计算精度和流体区域壁面位置的计算精度，在主装药表面处的固体区域和流体区域壁面附近网格进一步细化，网格划分如图7.17所示。

图7.16　简化的快速推冲器几何模型

图7.17　计算区域单元划分

4. 数值计算

根据点火药的物性参数及相关的试验数据，在保证总质量流量及总生成热量的前提下对不同类别点火器燃气流量特性进行了计算。根据点火药在一定容积密闭燃烧释放出气体的P-t曲线（图7.18），通过数值处理即可获得点火燃气流量特性曲线（图7.19），采用UDF（用户定义函数）对曲线特性进行描述并以源项形式加入数值计算中。

数值处理公式为式（7-9）～式（7-11）：

式中，iψ为相对燃烧量；为质量燃烧速率；Δ为装填密度；ρ为点火药密度；f为点火药火药力；α为点火药余容，θ为热损失修正系数，取θ=0.279；mi为点火药质量；p为实测压力。

图7.18　点火燃气的压强-时间曲线

图7.19　 点火燃气的质量流量-时间曲线(www.xing528.com)

为了便于对点火燃气流量特性进行描述，把点火燃气作用时间用τ表示，点火燃气上升到最大值的时间用aτ表示。

对于主装药燃面，当燃面未点燃时，应用壁面边界条件；在燃面点燃后，将紧贴主装药燃面的一层流体单元作为能量源项，采用UDF描述加入数值计算中。

5. 点火过程特性参数

点火启动过程相关参数用图7.20表示。

图7.22中，τ1为第一点火延迟时间，当时间达到τ1时，主装药表面发生首次点火（主装药表面温度达到“着火温度”）；τ2为第二点火延迟时间，当时间达到τ2时，主装药表面达到全面点燃；p1τ为与时间1τ对应的燃烧室压力；p2τ为与时间2τ对应的燃烧室压力；pmax为主装药表面全面点燃期间（0～2τ）燃烧室最大压力；Tmax为主装药表面全面点燃期间（0～2τ）燃烧室最高温度。

根据以上计算结果，可以得到点火燃气流量特性对快速推冲器点火启动过程参数的影响。

6. 计算结果与分析

计算过程中，为了分析比较，采用不同类别和不同药量的点火药，分别进行模拟计算。不同类别点火药点火过程，主要考查点火燃气流量特性对烟火推进剂多孔药床点火时间和烟火推进剂药室内压力分布规律的影响。不同药量点火药点火过程，则主要考查点火药药量对烟火推进剂多孔药床点火时间和烟火推进剂药室内压力分布规律的影响。

图7.20　点火启动过程特性参数

图7.21模拟的是点火燃气流量上升时间τ = 0.2 ms时，主装药表面全面着火时燃烧室和喷管内流速、温度和压力分布云图及主装药表面附近流场的温度分布。当主装药表面被全面点燃后，产生的主装药燃气立即进入燃烧室流场并在表面附近形成一个具有较大温度的区域，温度介于800～1 500 K。由于短脉冲推冲器工作时间较短，要求推冲器点火过程在瞬间完成，既不能因点火燃气流量上升过快导致过大超压和点火冲击而造成主装药结构破坏，也不能因过慢的点火燃气流量上升时间导致全面点火时所需的点火延迟期过长而造成推冲器输出推力上升较慢，影响输出性能指标。因此，点火燃气流量特性与主装药瞬时点火之间必须进行匹配。

（a）t = 0.42 ms时计算的温度云图；（b）t = 0.42 ms时计算的压力云图；（c）t = 0.42 ms时计算的速度云图；（d）t = 0.42 ms时主装药界面区域温度分布图

1）点火药类别与燃气流量特性

计算结果表明，在点火燃气作用时间τ一定的情况下，点火燃气上升时间aτ对烟火推进剂颗粒表面点火延迟时间和燃烧室压力有明显影响。随着aτ的增加，点火延迟时间1τ和2τ也增长，点火延迟时间随点火燃气上升时间的变化趋势呈线性关系，点火燃气上升越快，点火延迟时间越短。

对于短脉冲推冲器而言，要在确保点火延迟时间的情况下，燃烧室内的压力和温度增长速度比较平缓，这样可以避免点火期间燃烧室内出现过高的压力和温度。从模拟情况来看，在点火燃气作用时间一定的情况下，可以通过控制点火上升时间来达到这个目的，这就为点火药配方设计和装药提供了理论依据。研究表明，当τa = 0.3 ms时，推冲器的点火延迟时间比较短，且燃烧室内的压力和温度比较适宜。

2）点火药量与点火时间和压力特性

计算表明，点火药量对点火延迟时间的影响，在一定范围内，随着点火药量的增加，点火延迟时间不断减小，它们之间的变化趋势不是线性关系。当点火药量增加到一定量后，再增加药量将不能明显缩短点火延迟时间。从模拟结果来看，点火药量与点火时间的关系与试验规律类似。

模拟表明，点火药量对推力有很大影响，随着点火药量的增大，其燃烧后释放更多的高温燃气，使推冲器燃烧室内具有更高的压力和温度，烟火推进剂药床可以得到更多的热量，促使其温度上升速率加快，缩短点火延迟时间。由于整个药床达到着火温度点需要的热量是一定的，如果不考虑烟火推进剂本身燃烧释放的热量，当点火药燃烧释放的总热量满足整个药床达到点火温度所需热量后，继续增加点火药量只能使燃烧室内具有更大的初始压力和温度，而对缩短点火延迟时间基本没贡献。

综合理论分析和试验结果，本研究选择40～60 mg的B-KNO3点火药作为推冲器的点火药量。