短脉冲推进器燃烧做功原理解析

推冲器是基于燃气推冲原理，利用气流喷射时的反作用力对弹道进行修正，其输出过程与推冲器点火、燃烧和气体喷射三个过程密切相关。短脉冲推冲器内流场处于一个极其复杂的三维非稳定的气固两相流动状态。同时，由于短脉冲推冲器结构尺寸小、工作时间短，很难对其内流场情况进行准确的测量。因此，能够较为真实地进行输出过程模拟计算对短脉冲推冲器的设计和试验研究都有重要指导意义。

7.3.2.1 物理模型

图7.22　推冲器输出过程的简化物理模型示意图

推冲器的结构简化如图7.22所示。其工作过程：当接收到外界激发的点火指令后，点火器的发火元件迅速作用并引燃点火药，点火药燃烧产生的高温高压气体和灼热的固体粒子迅速进入粒状主装药床的空隙，通过对流传热的方式给药粒提供强烈的热刺激，从而点燃主装药床。当主装药室内的压力达到密封膜片的破膜压力时，主装药的燃烧产物和未燃烧完全的药粒迅速破膜进入缓冲室内，药粒在缓冲室中继续燃烧，最终燃烧产物从喷管喷出并产生脉冲推力。显然，该过程中存在较复杂的两相流动和燃烧耦合现象。

7.3.2.2 数学模型

严格来说，在推冲器燃烧室（包括点火药室、烟火推进剂药室和缓冲室）内气流各参数（压强、温度、密度等）为空间坐标x和时间t的函数关系，应使用一维甚至多维非定常流的通用方程组来确定。但在工程计算中，通常采用简化问题解的办法。假设把燃烧室内部过程的物理参数按整个燃烧室自由容积进行平均，不考虑压强、温度和密度沿燃烧室长度的变化，而计算容积平均压强和平均温度随时间的变化。按容积平均值描述燃烧室内燃烧产物的状态参数随时间变化的方程。

根据短脉冲推冲器内部压力值的变化，将其内流场变化过程分为三个阶段进行模拟，可获得更准确的模拟结果。

依据的基本数学方程式有燃气状态方程、质量生成速率方程、燃气质量流率方程、药粒质量流率方程、燃气质量守恒方程、推冲器推力方程、冲量方程等。

7.3.2.3 模拟结果与分析

图7.23所示为破膜压力、缓冲室体积、药粒直径、药量、装药密度对推力影响的模拟波形，将不同条件下计算得到的最大推力绘制成曲线，就可以找到短脉冲推冲序列燃烧-做功的基本规律。(https://www.xing528.com)

由理论分析得到以下结论：

（1）随着主装药颗粒直径的增大，推冲器工作时间增长，最大推力减小，而总冲则随之增加。分析认为药剂颗粒直径增大，药粒的比表面积则减小，瞬时燃烧面积也减小，单位时间内产生的气体就少，燃烧室内的压力和温度增长速度也就减慢，药剂的燃烧速度相应减小，单个药剂颗粒燃尽时间则增长。因此，可以根据减小药剂颗粒直径的方法获得较大的推力和较短的工作时间，或增大药剂颗粒直径使推冲器的工作时间变长，同时获得较小的推力输出。

在药剂设计中，本子专题对部分药剂组分进行细化，就是为了获得好的点火-燃烧匹配参数和所需的燃速。

（2） 随着缓冲室体积的增大，工作时间增长，工作时间和缓冲室体积基本呈线性关系，最大推力和总冲均随之减小，可以通过减小缓冲室体积的方法获得较大的推力和较短的工作时间或增大其体积获得较小的输出推力和较长的工作时间。

（3） 破膜压力对脉冲推冲器输出性能有一定的影响。随着破膜压力增大，推力曲线的上升时间变长，输出最大推力和总冲则增大。这说明，由于金属膜片的厚度增加，使燃烧室的破膜压力阈值增高，因此需要的破膜时间加长，破膜时的推力也明显增大。

（4） 装药密度对输出推力有一定的影响，但在装药体积一定的情况下，测得的密度-推力规律不明显，这是因为压药密度增加，空腔体积也增加，二者对于推力的贡献相互制约，因此，推力变化规律并不明显。只有保证装药密度变化后剩余空间不变，才可以准确得到密度-推力的变化规律。

图7.23　推冲器结构及装药结构对推力的影响

（a）破膜压力-推力曲线；（b）缓冲室体积-推力曲线；（c）药粒直径-推力曲线；（d）药量-推力曲线；（e）密度-推力曲线

（5） 主装药量对推力的影响非常明显，在有限空间内增加主装药量，能明显提高推冲器的输出能量。