（机械工程专业论文）辅助燃气发生器的结构设计与试验研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h e d e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r a ld e s i g na n d e x p e r i m e n t a t i o no f a u x i l i a r yg a sg e n e r a t o r c a n d i d a t e ：z e n gq i n g f u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f g ey a n g e n t e r p r i s et u t o r ：s e n i o re n g i n e e ry a n gy u c i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e ci a lit y ：m a c h i n e r ye n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 8 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j a n u a r y ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：荡次亳 日期：仇, - 0 9 年3 月2 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可囱在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：茑厌亳 日期：凇9 夕年3 月2 日 导师( 签字) ：葛茅勿 加歹年弓月少日 鼍 ， a bs t r a c t l a u n c h e dg u i d e dm u n i t i o n sh a v et h ep r o m i n e n tf e a t u r e so fl o n gr a n g e ， d i r e c t i v i t y , a n dp r e c i s i o ns t r i k e s ，s o ，i ti so b v i o u st ot r a n s f o r mg e n e r a l m u n i t i o n s i n t ot h eg u i d e da e r i a lm u n i t i o n s g a sg e n e r a t o ri su s e dt op r o v i d ee n e r g yf o rt l l e g u i d e dm u n i t i o n sa n di ne s s e n c e ，i ti so n ek i n do f s o l i dr o c k e tm o t o r s a so n eo f i m p o r t a n tg a sg e n e r a t o rc o m p o n e n t s ，a u x i l i a r yg a sg e n e r a t o r sp r o v i d ee n e r g yf o r c o n t r o ls y s t e m so fg a sg e n e r a t o rw i t ht h eq u i c ks t a r to ft u r b i n eg e n e r a t o rd o n eb y 也eh i 吐p r e s s u r eg a s c o n v e n t i o n a la i rm u n i t i o n sc a nb ec o n v e r t e di n t og u i d e d m u n i t i o n sf r o mt h eg e n e r a lm u n i t i o n sb ym e a n so fa d d i n gt h eg u i d e db o m b c h a m b e r sa n dt h eg u i d e dc h a n g eo fw i n gu n i t sc o n v e r t e d a tp r e s e n t ，t h e r el sa 1 a r g eq u a n t i t yo fa n dm a n y m o d e l so fn a t i o n a lc o n v e n t i o n a la i ra m m u n i t i o n s ，a n d t h e r e f o r ei no r d e rt oc o n v e r tn a t i o n a lc o n v e n t i o n a la i rb o m bi n t oag u i d e da e r i a l b o m b s ，t h es t u d y o na u x i l i a r y g a s s i g n i f i c a n c e g e n e r a t o r o fh a v ei m p o r t a n tm i l i t a r y i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs o l i dr o c k e ：tm o t o r , a n a l y s i s t h ef l o wl a wu n d e rt h ec e r t a i nc o n d i t i o no fg a si nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r , m a k e t h es e l e c t i o no fs o l i dp r o p e l l a n ta n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，s e tu pt h em a t h e m a t i c a l o fm o d e la u x i l i a r yg a sg e n e r a t o rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a n do nt h i sb a s i s ，c a r r y o u tt h er e s e a r c ho nt h ec h a n g i n gm l e so ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rg a sp r e s s u r e ， f l o wa n dt h eb u r n i n gr a t eo fp r e s s u r eg a si nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r , s e tu pt h e f u n c t i o no fg r a i np r e s s u r ev s b u r n i n gt i m e ，g r a i nf l o wv s b u r n i n gt i m e i nt h i sp a p e r , i na c c o r d a n c ew i t ht h ew o r km e c h a n i s mo fs o l i dr o c k e tm o t o r a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，d e s i g n s u c hc o r e c o m p o n e n t so fa u x i l i a r yg a sg e n e r a t o ra sg a sg e n e r a t o rc y l i n d e r , h e a d ，g r a m ， b l o c kb o a r da n ds oo n ，a n a l y s i sa n dv 耐母t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs h e l l s t r u c t u r ea g a i n s th i g hp r e s s u r ea n dv a r i a b l ef l o wg a si nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r a t h i g ht e m p e r a t u r e ，l o we n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e t oe n s u r et h ew o r ko f 0匿il 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 a u x i l i a r yg a sg e n e r a t o r b a s e do nac e r t a i nt y p eo ft h et r i a lp r o d u c t i o no f a u x i l i a r yg a sg e n e r a t o r , s e t u pt h eg r o u n df i r i n gt e s t i n go fg a sp r e s s u r e ，a v e r a g ep r e s s u r ea n dw o r k i n gt i m e p a r a m e t e r sa n db a s e do nt h eg a st e s tc u r v eo fg a sp r e s s u r ev s t i m e ，g a sf l o wv s t i m e ，a n a l y s i sa n dv e r i f yt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ea u x i l i a r yg a sg e n e r a t o r t h e r e s u l t sp r o v e dt h er a t i o n a l i t ya n ds a f e t yo ft h es t r u c t u r a ld e s i g na n dg i v eas t r o n g r e f e r e n c ea n dab a s i sf o rr e s t r u c t u r i n go fc o n v e n t i o n a la e r i a lb o m b k e y w o r d s ：a u x i l i a r yg a sg e n e r a t o r ；n o n l i n e a rf e m s i m u l a t i o n ；g r o u n df i r i n gt e s t 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 i = 1 三； 口刊k 第1 章绪论1 1 1 课题来源及课题目的和意义1 1 2 火箭发动机的发展概况2 1 3 火箭发动机的特点和分类3 1 4 固体火箭发动机在战略导弹上的应用6 1 5 燃气发生器系统的发展趋势8 1 6 固体推进剂的发展9 1 6 1国内固体推进剂的发展9 1 6 2 国外固体推进剂的发展1 0 1 7 论文的主要工作内容1 1 第2 章辅助燃气发生器性能参数数学模型1 2 2 1 燃气发生器的工作原理1 2 2 2 燃气在燃烧室流动的方程1 2 2 2 1质量方程13 2 2 2 动量方程1 4 2 2 3 能量方程1 4 2 3辅助燃气发生器压力的数学模型15 2 4 辅助燃气发生器的推力数学模型16 2 5 辅助燃气发生器药柱设计18 2 5 1固体推进剂的选择基本要求1 8 2 5 2 固体推进剂的燃烧特性1 9 2 5 3 药型选择2 0 2 5 4 药柱尺寸及质量计算2 l 2 6 辅助燃气发生器性能参数计算2 1 2 6 1 药柱燃烧面积随燃层厚的变化2 1 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 2 7 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 6 第4 章 4 1 4 2 2 6 2 燃烧室压力计算公式2 2 2 6 3 燃层厚与燃烧时间的关系2 3 本章小结2 4 辅助燃气发生器结构建模与有限元仿真2 5 辅助燃气发生器的性能要求2 5 结构组成和工作原理2 5 辅助燃气发生器结构建模2 6 3 3 1筒体设计2 7 3 3 2 封头设计2 8 3 3 3排气管壁厚计算2 9 3 3 4 其它零件的结构3 0 燃烧室参数计算31 3 4 1 燃烧室壳体爆破压力计算3 1 3 4 2 燃烧室壳体安全系数计算3 2 3 4 3 螺纹强度计算3 2 3 4 4 导气管壁厚强度计算3 4 辅助燃气发生器壳体有限元分析3 5 3 5 1 圆柱壳开孔接管问题国内、外研究概况3 5 3 5 2 有限元软件简介3 7 3 5 - 3非线性有限元分析方法3 8 3 5 4 壳体的非线性有限元仿真的分析4 0 3 5 5 单元格的选取和壳体模型的建立4 1 3 5 6 筒体连接强度分析4 2 3 5 7 封头高、低温连接强度分析4 3 3 5 8 封头接管处变形的分析4 7 本章小结4 8 辅助燃气发生器地面点火试验4 9 地面点火试验方案4 9 地面点火试验4 9 ， 哈尔浜工程大学工程硕士学位论文 4 2 1试验的目的4 9 4 2 2 试验的准备4 9 4 2 3 试验的过程5 0 4 2 4 试验的结果分析5 4 4 3 本章小结5 5 结论5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 1 致 射6 2 个人简历6 3 哈尔滨工程大学! i ：程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1课题来源及课题目的和意义 1 课题来源及课题目的 燃气发生器是飞行器的动力装置，本质上属于固体火箭发动机。根据某 型号产品炸弹的要求，研制燃气发生器，产生高压燃气通过涡轮发电机上 的喷嘴，吹动涡轮发电机叶片高速旋转，启动涡轮发电机发电为制导炸弹控 制系统提供能源。 研制或经过适当改进适应多种制导武器的需要，形成通用化、系列化、 多用途的燃气能源系统，提高我国制导弹药的能源系统的可靠性和工作稳定 性，为我国航空弹药制导化的改进提供燃气能源系统。 2 课题的意义 从最近的伊拉克战争、1 9 9 1 年海湾战争及6 0 年代越南战争中可以看出， 制导弹药的使用是非常重要的，也是必不可少的。目前大量使用的制导航空 炸弹的激光制导型和光电制导型，都是在普通低阻航空炸弹上加制导舱段并 改换翼单元而构成的，这样大量的常规航空炸弹可以改造成制导航空炸弹， 效费比高，而燃气发生器系统是制导弹药控制舱必不可少的重要部件。我国 的常规弹药库存量大，急需制导化改进。因此，作为制导弹药的必备部件， 燃气发生器系统的重要地位也越来越为人们所重视。美国已经研制出系统通 用的动力组件，其中就有通用的燃气发生器系统，如“战斧”导弹。俄罗斯 也研制了系列的5 0 0 公斤、1 5 0 0 公斤级各种制导方式的航空弹药，如 k a l 3 5 0 0 i 型激光制导航空炸弹、k a l 3 1 5 0 0 1 - 1 型激光制导航空炸弹、 k a b 1 5 0 0 j i 1 i p 型激光制导航空炸弹、k a e 5 0 0 k p 电视制导航空炸弹，其控 制系统的能源也是采用的燃气系统。所以研究燃气发生器系统为我国的常 规弹药制导化改进成激光制导、卫星制导武器具有重要的意义。 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 1 2 火箭发动机的发展概况 火箭发动机是我国劳动人民首先创造出来的。早在唐代初年( 约在七世 纪) 火药就出现了，南宋时代火药用来制造烟火，其中包括“起花”。公元 9 6 9 年兵部令吏冯继升等用火药制成了火箭。到了十四十七世纪的明朝， 火箭得到了发展，发明了赋予火箭一定射向和射角的“火箭溜 、“白虎齐奔 箭 等多种火箭。 十三世纪左右，火箭技术传入阿拉伯国家，随后传入欧洲。当时许多国 家相继制造并对火箭结构进行了改进。直到十九世纪中叶，火箭与火炮一直 并用并相互竞争。以后由于火炮采用了硝化火药和线膛身管两项新技术，从 而大大提高了它的射程和精度，火箭技术停滞不前，不久从战场上消失。 而一些科学家对火箭的研究和试验没有停止，从军事目的转向宇宙航行， 从固体推进剂转向液体推进剂，如俄国的科学家齐奥尔克夫斯基 ( k 3 1 2 o a k o b c r n a ) 、美国的戈达德( r h g o d d a r d ) 等。1 9 0 3 年齐奥尔克 夫斯基发表利用工具研究宇宙空间阐明了火箭飞行的理论，提出了液体 火箭发动机的设想和原理图。1 9 2 6 年他又提出多极火箭的思想，为航天事业 作出了贡献b 1 。 美国的戈达德是美国的火箭技术的先驱者，1 9 1 5 年他开始在火箭中使用 无烟火药，并用了拉瓦尔喷管。1 9 1 9 年发表到达极高空的方法论述了制 造和使用火箭的主要问题，并于1 9 2 6 年他第一个成功发射了一枚液体火箭。 第二次世界大战期间，苏联研制成功双基推进剂的m 1 3 火箭，即著名 的“喀秋莎”，在战争中发挥了巨大威力。当时的德国研制的液体火箭v 2 于 1 9 4 2 年研制成功，成为近代导弹的先驱。第二次世界大战末期，美国研制成 功复合推进剂，从而推动了固体火箭技术的发展。 第二次世界大战以后，火箭技术得到迅速发展，开始各国重点发展液体 火箭发动机。五十年代以后，由于高性能的固体火箭推进剂和结构材料的研 制成功，国体火箭发动机具有结构简单、操作方便和作用可靠等优点，从而 固体火箭发动机得到迅速发展。 目前固体火箭发动机技术已发展到很高的水平，作为标志之一是大型固 体火箭发动机的制造成功。现已能制造出直径6 6 米，装有将近8 5 0 吨推进 2 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 剂的巨大助推火箭，产生的推力达到1 3 6 0 吨。另一个标志是使用很轻的固体 火箭发动机作为卫星运载火箭发动机的末级发动机，其推进剂重量占运载火 箭总重量的9 0 以上。 我国的火箭发动机技术与发达国家相比比较落后。在党的领导下得到迅 速的发展，在抗美援朝的战争期间，制造了几种型号的火箭弹和导弹并装备 到部队。在1 9 7 0 年4 月，我国成功发射了第一颗人造卫星，1 9 8 0 年5 月我 国向太平洋预定领域发射运载火箭获得成功。为我国宇航和导弹武器成功研 制多种固体发动机形成了“风云”、“东方红”、“巨浪”等众多系列。 1 3 火箭发动机的特点和分类 火箭发动机在火箭上的地位，有如心脏和心血管系统在人体中的地位。 火箭发动机是火箭弹、导弹、宇宙飞船、航天飞行器的动力装置。因此，火 箭发动机技术是航空、航天等高技术的重要组成部分。 所谓火箭发动机，是指由飞行器自带推进剂，不依赖外界空气的喷气发 动机。火箭发动机与其它喷气发动机不同之点在于：飞机等其他各种喷气发 动机只自带燃料，燃料燃烧所需的氧由大气中获得。所以其它喷气发动机只 能在大气层内使用，而火箭发动机既能在大气层内使用，也能在大气层外使 用。 图1 1火箭发动机分类图 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 火箭发动机将能源转化为工作介质的动能，形成高速射流排出而产生推 力。按能源分类，可分为化学能火箭发动机、核能火箭发动机和电火箭发动 机p 1 。图1 1 是火箭发动机分类图。 化学能火箭发动机的推进剂既是能源也是工质，它在燃烧室内进行放热 反应，将化学能转化为热能，生成高温燃气，经喷管膨胀加速，将热能转化 为气流动能，以高速从喷管排出，产生推力。按推进剂的物态又分为液体火 箭发动机、固体火箭发动机和混合火箭发动机。 液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。常用的液体氧化剂 有液态氧、四氧化二氮等，燃烧剂由液氢、煤油等。氧化剂和燃烧剂必须储 存在不同的储箱中。液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动 机控制系统组成。 图1 2 液体火箭发动机 1 、燃烧剂及贮箱；2 、氧化剂及贮箱； 3 、输送系统；4 、喷注系统；5 、燃烧室；6 喷管 推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件。它由推进剂 喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成，见图1 2 液体火箭发动机。推进剂通过喷 注器注入燃烧室，经雾化、蒸发、混合和燃烧等过成生成燃烧产物，以高速 从喷管中冲出而产生推力。燃烧室内压力可达2 0 0 大气压、温度3 0 0 0 - - 4 0 0 0 ，故需要冷却。 推进剂供应系统的功用是按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂。按 输送方式不同，有挤压式( 气压式) 和泵压式两类供应系统。挤压式供应系 统是利用高压气体经减压器减压后( 氧化剂、燃烧剂的流量是靠减压器调定 的压力控制) 进入氧化剂、燃烧剂贮箱，将其分别挤压到燃烧室中。挤压式 供应系统只用于小推力发动机。大推力发动机则用泵压式供应系统，这种系 4 哈尔滨：【程大学工程硕士学位论文 统是用液压泵输送推进剂。 发动机控制系统的功用是对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控 制。工作程序包括发动机起动、工作、关机三个阶段，这一过程是按预定程 序自动进行的。工作参数主要指推力大小、推进剂的混合比。 液体火箭发动机的优点是比冲高( 2 5 0 5 0 0 秒) ，推力范围大( 单台推 力在1 克力- - - - 7 0 0 吨力) 、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。 液体火箭发动机主要用做航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等液体火 箭发动机比冲高，工作时间长，可以多次启动，推力调节和方向控制简单， 但结构复杂，推进剂不能长期贮存，多用于各种航天运载火箭和载入航天器。 固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚 氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固体火箭发动机由 药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成，见图1 3 固体火箭发动机。药 柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体( 中空部分为燃烧面，其横截 面形状有圆形、星形等) 。药柱置于燃烧室中。在推进剂燃烧时，燃烧室须承 受2 5 0 0 - - - - , 3 5 0 0 度的高温和1 0 2 2 1 07 帕的高压力，所以须用高强度合金钢、 钛合金或复合材料制造，并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。点火装置用于 点燃药柱，通常由电发火管和火药盒组成。通电后由电热丝点燃黑火药，再 由黑火药点燃药柱。 图1 3 固体火箭发动机 1 、点火装置；2 、燃烧室；3 、推进剂；4 、喷管 喷管除使燃气膨胀加速产生推力外，为了控制推力方向，常与推力向量 控制系统组成喷管组件。该系统能改变燃气喷射角度，从而实现推力方向的 改变。药柱燃烧完毕，发动机便停止工作。 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，工作可靠， 勤务处理和操作方便。推进剂密度大，推进剂可以储存在燃烧室中，常备待 用和操纵方便可靠等优点。缺点是“比冲”小。固体火箭发动机比冲在2 5 0 3 0 0 秒，工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复起动困难，从而不 利于载人飞行。 固体火箭发动机主要用作火箭弹、各种军用导弹和探空火箭的发动机， 以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。 固液混合火箭发动机虽然兼有固体和液体火箭发动机的某些优点，但技 术上还不很成熟。目前，技术上最成熟的是液体火箭发动机，尤以使用液氢 液氧的发动机性能最高，称为低温高能发动机。液体火箭发动机由推力室、 推进剂供应系统和发动机控制系统组成。 1 4 固体火箭发动机在战略导弹上的应用 由于固体火箭发动机的特点，法国的战略导弹全部采用固体火箭发动， 如“m a t r a m i c a ”空空导弹见图1 4 。目前，美国的战略、战术弹道导弹，已 全部实现固体化。俄罗斯至今还是固液并重：固体的战略弹道系统有s s 一2 4 、 s s 一2 5 ，c 一3 0 0 。液体的战略弹道导弹有s s 一1 8 、s s 一1 9 等。萨姆6 防空导 弹采用固体火箭发动机。俄计划在新世纪全部实现固体化。中国是世界上继 美、俄之后第3 个拥有固体远程战略弹道导弹的国家。由台湾中央研究院研 制的天剑i i 型主动式雷达寻的中程空空导弹采用固体火箭发动机，见图1 5 天剑i i 型主动式雷达寻的中程空空导弹。 图1 4“m a t r am i c a ”空空导弹 i 帚“f ? 一 尊一+ r 一2 一一 一- o ”i - - 一二 啊z ! 一惴_ t 1 脚j 1 ”1 l 厶睡矿硼_ 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 液体弹道导弹的长处是技术难度低一些，研制起来比较容易些。但它存 在一些致命的缺点，比如造价高、反应慢等。固体导弹则造价较低，设备较 少，反应较快。比如，液体导弹“大力神”i i 射程1 1 7 万千米，每枚成本高 达2 2 2 0 万美元，是射程相当( 1 0 1 4 万千米) 的固体弹道导弹“民兵 i 每 枚成本5 6 0 万美元的4 倍。从设备上讲，射程只有3 0 0 千米的液体弹道导弹 “飞毛腿 使用车辆达8 台之多，而射程达5 0 0 0 千米的固体弹道导弹s s 一 2 0 只使用3 台车辆。反应时间，美国液体弹道导弹“大力神”为1 5 分钟， 而美国固体弹道导弹“民兵”i 反应时间只有一分钟。 图1 5 天剑i i 型主动式雷达寻的中程空空导弹 当然，固体弹道导弹也有缺点，就是安全性不好，在制造过程中容易起 火爆炸或在固体推进剂的浇铸质量不佳而引起爆炸，造成弹毁人亡。例如， 美国“北极星”a 一2 固体弹道导弹，曾多次因药柱缺陷而在发射台上爆炸； “潘兴”i i 弹道导弹也有一次因隔热层处理不当，致使推进剂药柱的壳体配 当不好而引爆了一级自毁装置而爆炸；还有“三叉戟”i 固体弹道导弹也曾 因第一级发动机绝热层故障而发射失败。 固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，固体火箭发动机具有如下优 点： ( 1 ) 固体火箭发动机结构简单，工作可靠，勤务处理和操作方便； ( 2 ) 固体推进剂密度大，推进剂可以储存在燃烧室中，常备待用和操纵方 便可靠等优点。 ( 3 ) 固体火箭发动机造价较低，设备较少，反应较快。 【j 。1 。i ! 掣叮! 。：”一一4 二”1 。 7 j !、- 1 f 、；r z 盥哂瑚缸目n 窜嘎畸州一、 7 ”、 一 一一“1 一一 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 1 5燃气发生器系统的发展趋势 燃气发生器系统属于固体火箭发动机，目前国外正在向通用化和系列化 发展。美国已经研制出系统通用的燃气发生器系统。俄罗斯也研制了系列的 5 0 0 公斤、1 5 0 0 公斤级各种制导方式的航空弹药，其控制系统的能源也是采 用燃气发生器系统。目前我国在制导弹药的研制中，也在按照通用化和系列 化的发展思路进行研发，燃气发生器系统的相关技术已经推广应用到一些技 术开发费项目中。但由于使用方式的差别，目前还没有形成系列产品。由于 在未来的使用中，为提高飞机的安全系数需要在防区外远距离投放，因此根 据武器平台的发展和使用方式的需要，需要研制工作时间更长、输出能力更 大的燃气发生器系统，具体的发展趋势见表1 1 。 表1 1 燃气发生器系统发展系列规划表 序号适用弹种工作时间( s ) 工作压力( m p a ) 4 0 3 1 0 12 5 0 公斤级 6 0 3 1 0 4 0 3 2 0 2 5 0 0 公斤级6 0 3 2 0 9 0 3 2 0 4 01 0 3 0 6 01 0 3 0 31 0 0 0 公斤级 9 0 1 0 - 3 0 1 5 0 1 0 - 3 0 6 0 1 0 3 0 9 0 1 0 3 0 4 1 5 0 0 公斤级 1 5 01 0 3 0 1 8 0l o 3 0 辅助燃气发生器研究的关键技术为： ( 1 ) 推进剂在要求的燃烧室压力下( 包括在低压下) 有规律的燃烧，它应 当满足性能参数符合总体设计指标要求。 两。i ：”秘量汗p f i ! * ，m i r t 童卵翠孵_ 一掣”、f ? 7 扣：f ； 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 k 一 ； ( 2 ) 辅助燃气发生器壳体密封性能要好防止燃气泄露，保证气压稳定。 与国外燃气发生器系统相比，国内燃气发生器系统的差距主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 燃气发生器系统的研制与生产比较分散，存在研制时间长、重复开发、 质量一致性差等问题，造成了人力、物力的浪费，不利于集中力量，研制和 生产更高水平的产品； ( 2 ) 尚有一些技术如热防护技术、燃气降温技术、燃气调压技术等关键技 术需要进一步完善，这也是研制和生产系列化产品，提高工作时间，提出来 的更高要求，使长时间工作燃气发生器达到国外先进水平； ( 3 ) 尚有一些加工工艺需要改进，如耐热钢的焊接和热处理技术等。 1 6 固体推进剂的发展 1 。6 1 国内固体推进剂的发展 2 1 世纪固体火箭推进剂的主要发展目标是：( 1 ) 低特征信号推进剂；( 2 ) 钝感推进剂；( 3 ) 能进行“灵活的能量控制”的凝胶推进剂和单室双推力发 动机装药及多脉冲发动机装药掣4 1 。 国内固体推进剂研制始于5 0 年代初期，从开始仿制苏联的一般双基推进 剂，到后来自行设计研制了双基平台、高能改性双基和复合推进剂以及与之 配套的包复层等较为复杂的发动机装药系统。4 0 多年来，我国固体推进剂技 术取得了很大进展，凡是国外装备使用的推进剂品种，我国都在进行研制， 我们己能制成一批性能较好的推进剂，装备于各种战略、战术导弹上。 2 0 世纪6 0 年代中期，国内就开展了螺压改性双基推进剂的研究，产生 了g p 1 9 等一系列改性双基推进剂品种，为研制高燃速、高能和中能无烟推 进剂奠定了技术基础，后来研制成功了1 7 1 2 5 、1 7 1 3 0 和g r - 3 5 等系列推进 剂，并广泛用于各种武器。我国研制了高能浇铸改性双基推剂配方，推进剂 能量特性达到国际先进水平。近年又结合战术火箭导弹使用要求，进行了交 联改性双基推进剂的研制。 国内钝感、低特征信号推进剂研制采用的技术途径与国外大致相同，国 9 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 外正在探索和研制的新型推进剂和新技术，我们都及时地进行了跟踪分析和 探索研究。我们已研制出g a p 、c l 2 0 、a d n 和相稳定硝酸铵等新材料，开 展了g a p a n 、g a p h m x 、n e p e a n 、c l 2 0 等推进剂的配方研究，已经达 到或超过国外文献报道的性能水平。 国内在新型推进剂结合型号实用化方面进程较迟缓。国内虽研制出了 g a p 、c l - 2 0 、a d n 和相稳定硝酸铵等新型推进剂，但由于原材料质量不够 稳定，生产工艺落后，使推进剂综合性能不能全部满足武器使用要求。目前， 国内处于国外8 0 年代末的技术水平。 1 6 。2 国外固体推进剂的发展 国外已把改性双基推进剂作为实现高能低信号特征最现实、最有效的技 术途径之一p 1 。美国1 9 9 6 年国防部军事关键技术明细表中列出了确保美国技 术优势的最低关键参数，改性双基低特征信号推进剂已在世界各国的导弹武 器中得到应用。美陆军已将小懈树防空导弹发动机用的复合推进剂改换了特 征信号最小的改性双基推进剂；法国的反坦克导弹米兰、霍特，地空导弹罗 兰特，空舰导弹飞鱼、反舰导弹a s l 5 t t 和a s 3 0 激光制导导弹等均采用了 含硝胺的改性双基推进剂。 美国在1 9 9 7 财年国防技术领域计划中制定了实现钝感、低特征信号 推进剂的规划，用于近程、中程防空导弹的低特征信号c l 2 0 推进剂的性能 论证和用于中程、远程防空面空防区外发射导弹的g a p 冲压火箭发动机的地 面试验；关于近程、中程导弹用的c l 2 0 推进剂高压燃烧试验论证和中程、 远程导弹用金属化c l 2 0 推进剂发动机性能论证；近程、中程导弹用洁净 a d n 推进剂发动机性能论证和用于火箭炮的试验性发动机飞行试验和不敏 感试验。目前，美国v i r g i n i a 火箭中心研制的g a p 推进剂已经在单脉冲高性 能低可探测性发动机中成功地进行了点火实验；美国海军最新研制的c l 2 0 高能、低特征信号推进剂大大降低了撞击敏感性，与1 1 级的h m x 和r d z 推进剂相比，c l 2 0 推进剂的烤燃反应更为温和，c l 2 0 推进剂已成功地通 过了战术导弹火箭发动机实验。 俄罗斯在a d n 的研制和应用方面居世界领先地位1 ，俄罗斯于1 9 7 0 年 1 0 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 初曾首先合成出a d n 后，2 0 余年来己解决了它在合成工艺和使用中的一系 列技术难题，俄用a d n 作氧化剂的固体推进剂己用于潜地和井下发射的导 弹中，俄罗斯已将a d n 推进剂装在米格2 9 、苏一2 7 战斗机所携带的部分空 空导弹上，以及s s 2 4 、s s 2 0 和新型s s - 2 7 白杨m 机动洲际导弹上。凝胶 推进剂是化学火箭领域中的一种新型推进剂，它兼具液体和固体推进剂的诸 多优点，比液体推进剂更安全，比固体推进剂更能灵活控制推力。凝胶推进 剂实现了发动机“推力可调”和“钝感弹药”特性，提高了导弹射程，而价 格仅比固体推进剂高3 0 。美国航空喷气公司准备提供完全可供使用的凝胶 推进剂火箭发动机，可能用于装备星球大战计划中“针对有限攻击的全球防 御计划”的地基拦截导弹。美国陆军研制的一种新型凝胶推进剂，能使自主 导弹性能和可靠性得到提高，而且运输更安全，导弹更加灵活，射程也大大 提高。乌克兰波罗的海大学研制凝胶推进剂已有2 0 年历史了，他们不仅研制 出了成熟的凝胶推进剂，而且采用5 2 0 0 m m 发动机进行了试验，预计将于近 期内装备导弹系统。 1 7 论文的主要工作内容 本课题主要研究辅助燃气发生器，内容如下： ( 1 ) 分析辅助燃气发生器系统的工作原理，研究燃气在燃烧室内流动规 律，研究燃气压力时间、燃气流量一时间的关系，建立辅助燃气发生器数 学模型。根据原理分析和数学模型，进行固体推进剂的种类和装药形式选择， 计算辅助燃气发生器的工作压力、流量各项参数。 ( 2 ) 在辅助燃气发生器数学模型基础上，进行在使用条件下的设计研究， 设计辅助燃气发生器的结构。运用有限元软件对辅助燃气发生器壳体进行高 低温条件下的筒体和封头接管处的强度分析。为辅助燃气发生器的设计提供 依据，保证辅助燃气发生器壳体强度符合设计要求。 ( 3 ) 通过试验研究，验证理论计算燃气压力一时间、燃气流量一时间关 系，验证压力、流量和工作时间等各项参数符合设计性能要求。 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 第2 章辅助燃气发生器性能参数数学模型 2 1 燃气发生器的工作原理 燃气发生器由主燃气发生器、辅助燃气发生器、燃气过滤器、电点火具、 导管等组成1 。工作原理是：在炸弹投放前，载机通过插头向辅助燃气发生 器提供点火信号，用辅助燃气发生器产生高压气体快速启动涡轮发电机。在 炸弹与载机分离后，主燃气发生器开始工作。一方面通过燃气过滤器向涡轮 发电机供气维持发电，另一方面通过燃气过滤器向舵机提供气源。涡轮发电 机为控制系统供电。原理图见图2 1 。图中箭头表示燃气流动和电流的方向。 图2 1 燃气发生器原理图 1 、辅助燃气发生器；2 、主燃气发生器；3 舵机； 4 、控制系统；5 、燃气过滤器；6 、涡轮发电机；7 、弹身 2 2 燃气在燃烧室流动的方程 燃气在燃烧室内的流动非常复杂，为了便于研究假定燃气为完全气体， 通道中一维流动，与外界没有热和功的交换。 燃气在燃烧室内流动时遵守普遍规律p 1 ，在侧面燃烧装药的燃气通道中， 取长度为a x 的微元体，由截面积为a ( x ，f ) 和a ( x + a x ，) 的左右截面 和装药的微元燃烧表面( a ，) 工所围成，如图2 2 所示。在a ( x ，f ) 截面 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 上的燃器压力为p 、密度为p 、温度为r ，流速为y ；在a ( x + ax ，f ) 截面 上的压垄、密度、温度、和流速相应为：p + 芸衄、p + 等x 、r + 等x 和矿+ 婴x。尸、矿的正向与x 的正向一致。 爿 p p y 丁 彳+ 丝工 d 工 p + 孚x p + 望a j c+ 1 4 时会出现压缩的纬向应力。当m = 2 时，封头上最大应力( 顶点处) 与简体上最 大应力相等。对应等壁厚壳体，若m 2 ，则封头强度将弱于简体。通常取m = 2 ， 此时封头深度仅为简体半径的一半，易于加工。 由于半球形封头受力最好，因此壁薄、质量轻，本文设计的燃烧室直径 小容易加工所以采用与筒体等壁厚的半球形封头。 燃烧室封头的壁厚计算： 辅助燃气发生器的封头为球形，具体结构见图3 3 封头结构，其壁厚计 算公式为： 万一翌翌坠竺 ( 3 3 ) 4 o - j 一印。 式中：占一封头壁厚，i d l p 一压力波动系数，取妒= 1 2 尸一一最大工作压力，p 。= 2 9 3m p a d 一封头内径，取d = 2 3 m m 问一许用应力， o - = 2 6 0 m p a 将已知数据代入公式( 3 3 ) 计算得6 = 0 7 6r n r n 实际燃气发生器的封头与筒体壁厚相同为2 m m ，其强度可靠。 图3 3 封头结构 3 3 3 排气管壁厚计算 排气管壁厚计算公式( 3 1 ) 得 2 9 哈尔滨工程大学：f 程硕士学位论文 。 一( p p 。d o m i n 一2 善 c r 】 式中：6 。i 。一简体最小壁厚，m m 妒一压力波动系数，取缈= 1 2 p x 一最大工作压力，取高温下的最大工作压力，取p 一= 2 9 3 m p a 掌焊接系数，考虑产品为氩弧焊，取乒0 9 d 一简体内径，取d = 8 m m