非同轴式喉栓变推力固体发动机试验

第３１卷第１期　固体火箭技术　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ　Ｒｏｃｋｅｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

非同轴式喉栓变推力固体发动机试验①　王毅林，何国强，李江，秦飞　（西北工业大学航天学院，西安７１００７２）　

摘要：设计了非同轴式喉栓变推力固体发动机试验系统，进行了变推力原理性试验研究。解决了试验中出现的喉栓结　构完整性问题；基于内弹道计算，分析了喉栓变推力固体发动机的压强特性；通过喉栓不同运动过程的试验，开展了喉栓发　动机压强特性研究；通过试验结果的对比分析，发现了影响发动机压强爬升的主要因素。试验验证了喉栓式变推力固体发　动机的原理可行，以及所设计的非同轴式喉栓变推力固体发动机试验系统可行，满足试验研究需求。　关键词：固体推进剂火箭发动机；变推力；喉栓；试验　中图分类号：Ｖ４３５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６－２７９３（２００８）０１－００４３－０４　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｎｏｎ－ｃｏａｘｉａｌ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｐｉｎｔｌｅ　ｓｏｌｉｄ　ｍｏｔｏｒ　

ＷＡＮＧ　Ｙｉ－ｌｉｎ，ＨＥ　Ｇｕｏ－ｑｉａｎｇ，ＬＩ　Ｊｉａｎｇ，ＱＩＮ　Ｆｅｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｂ．ｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｃｏａｘｉａｌｉｔｙ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｐｉｎｔｌｅ　ｓｏｌｉｄ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｔｅｓｔ　ｐｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ、Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｎｆｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｗａｓ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｂａｌｌｉｓｔｉｃ　ｃａｌｃｕ・　ｌａｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｐｉｎｔｌｅ　ｍｏｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ、Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｎｔｌｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｎｔｌｅ　ｍｏｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆ－　ｆｅｃｔｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｌｉｍｂｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ、Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｐｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｐｉｎｔｌｅ　ｍｏｔｏｒ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｃｏａｘｉａｌｉｔｙ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｐｉｎｔｌｅ　ｓｏｌｉｄ　ｍｏｔｏｒ　ｍｅｅｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｄｅｍａｎｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄ　ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ　ｒｏｃｋｅｔ　ｍｏｔｏｒ；ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｈｒｕｓｔ；ｐｉｎｔｌｅ；ｔｅｓｔ　

１　引言　喉栓变推力固体发动机是通过调节喉栓的位置改　变喉部面积，来改变发动机的推力¨．２　Ｊ。这种发动机能　适时地提供变推力，提高了导弹的突防能力和机动拦　截能力，可实现武器系统多任务平台，降低装备成　本　。喉栓变推力发动机的推力调节性能受许多因素　影响，如发动机结构与参数　Ｊ、装药特性ｌ５　和喉栓运动　

特征　等，目前国内相关研究开展的很少。文中开展　了喉栓变推力固体发动机的原理试验，对喉栓结构完　整性、推力调节特性和响应特性等进行了研究，其研究　结果可为变推力发动机设计提供一定依据。　

成。图１为文中设计的非同轴喉栓发动机的结构简　图，图２为试验系统图。　装药　

图１非同轴喉栓发动机简图　．１　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｃｏａｘｉａｌｌｔｙ　ｐｉｎｔｌｅ　ｍｏｔｏｒ　２试验系统设计　喉栓式变推力发动机试验系统主要由喉栓发动　２．１喉栓发动机设计　机、驱动系统、测试系统和时序控制系统等４部分组　喉栓式变推力发动机主要有同轴式和非同轴式构　

①收稿日期：２００６—１２—１９；修回日期：２００７－０３－０６。　作者简介：壬毅林（１９７ｌ一），男，硕士，主要从事航空宇航推进理论与工程研究。Ｅ－ｍａｉｌ：Ｅｒｌｉｎ６００＠ｓｉｎａ．ｃｏｎ　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年２月　固体火箭技术　第３ｌ卷　型。同轴式是指喉栓与燃烧室的轴线一致，喉栓需要　由发动机前封头伸人，其装药和密封结构受喉栓的制　约，喉栓杆长度较长，热防护要求也较高，发动机设计　相对较难。非同轴式发动机的燃烧室轴线与喉栓垂　直，这样调节结构与装药可分开，设计相对较易，国内　外在原理研究中大多采用非同轴式结构。　

截　压力　气源调三位五通　控制阀蔓茎里　回阁　

数据采集系统　图２　试验系统简图　Ｆｉｇ．２　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　

序与　控制器　

推进剂的选择对发动机结构、热防护、喉栓等设计　有很大影响。燃烧室压强Ｐ　和发动机喷管喉部面积　Ａ．之间的关系式为　

１　，１、　Ｐ　＝［Ｐ　・Ｃ　・口・Ａｂ］　・（÷ｒ　（１）　、Ａ

ｔ，　

式中Ｐ。为推进剂装药密度；Ｃ　为特征速度；ａ为燃　速系数；Ａ　为推进剂装药燃烧表面积；ｎ为压强指数。　从式（１）可看出，如果压强指数ｎ较高，则只要稍　微改变一点喉部面积，就能引起燃烧室压强的很大变　化。因此理论上讲，此类发动机最好采用高压强指数　的推进剂。作为原理研究，文中选用１种燃温较低、压　强指数较高的推进剂，其绝热燃烧温度为１　７８９　Ｋ，燃　速公式为ｒ＝２．２６７×Ｐ　±ｏ・位（５～１２　ＭＰａ）。燃烧室　内径为２００　ｍｍ，药型采用端面燃烧，燃面直径为　１７８　ｍｍ，由于燃气发生器向下放置，设置了１个挡药　板来固定装药。　在喉栓发动机的设计中，喉栓调节杆的动密封是　个难点，国内外在这方面的报道很少。文中通过对比　６种密封类型的优缺点，最终选择用于活塞密封的“０”　形圈密封方式。密封设计参照了液压缸动密封结构，　设计了３道密封，如图３所示。喉栓工作时位于发动　机喷管喉部，承受高温、高速燃气流冲刷，其工作环境　非常恶劣，还要保证同轴度高、变形率小、烧蚀率低。　因此，喉栓材料的选择以及与调节杆的配合、连接设计　是另一个难点。由于文中选用了低燃温的推进剂，燃　气的影响相对较小。因此，喉栓杆和支撑件采用了金　属材料，但对同轴度提出了较高要求。　一４４一　图３喉栓杆动密封　Ｆｉｇ．３　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｅａｌ　ｏｆ　ｐｉｎｔｌｅ　２．２驱动系统设计　变推力发动机要实现准确的推力变化，就必须精　确控制喉栓运动。所以，对喉栓的驱动装置也有较高　要求。驱动装置要求响应速度快、驱动力输出精度高、　输出范围大且变化平滑。常见的驱动装置有液压、电　动和弹簧等方式。　在原理研究阶段，文中设计了１种较简便的气动　驱动系统。如图２所示，来自高压气瓶的气体经减压　后进入三位五通阀，由三位五通阀两端的电控线圈接　受指令控制通气回路，实现气缸行进。其优点是结构　简单、易实现和操控；缺点是不能精确控制喉栓位置，　因此设计了限位装置。　２．３测试系统　测试系统主要测量燃烧室压强和推力信号。采用　气动驱动系统使得推力测量相对较难。文中设计了１　种小车式的推力台架，将发动机和气缸等器件放置在　小车上，避免了驱动装置对推力测量的影响。　２．４时序控制系统　喉栓驱动有开环和闭环２种方式，文中考虑采用　开环控制方案，即不考虑发动机工作时喉栓所受气动　力的反馈，只按预定程序进行运动。在喉栓发动机试　验测试系统设计过程中，将测试系统与点火控制系统　分离，利用点火器上的两路输出信号，实现对三位五通　阀两头电磁线圈的控制，从而实现对气缸运动方向的　控制。点火器可预先调整点火和两路输出信号的时　序，工作时点火器按照预定的时序产生控制信号，就可　实现气缸多次前进、后退的控制，完成点火和气缸作动　的开环控制。　３试验研究　在初期试验中出现了喉栓断裂的问题。为了解决　这一问题，进行了材料筛选和结构改进。将石墨更换　为炭毡型Ｃ／Ｃ材料，增加喉栓根部直径、减少应力集　中，以提高强度，调整喉栓运动轨迹，改善喉栓受力状　态。但试验中喉栓相继在高压工作时发生脆性断裂。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年２月　王毅林，等：非同轴式喉栓变推力固体发动机试验　第１期　通过分析，细长结构的喉栓对材料的韧性要求较高，前　期使用的石墨和炭毡型Ｃ／Ｃ的脆性都较大，因此都不　能满足要求。通过对比筛选，选用了金属钼作为喉栓　材料，试验获得了成功。但金属钼的耐高温能力不是　很高，密度也较大。因此，今后还需要对喉栓材料开展　进一步研究。　３．１试验工况　在解决喉栓结构完整性问题后，开展了喉栓发动　机变推力试验。试验中喉栓位置变化见图４，位置１为　小推力状态，位置２为大推力状态。　图４喉栓位置图　Ｆｉｇ．４　Ｐｉｎｔｌｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　斗十　仟朴开　±姑垃　再＋÷～　ｆ－ｒ一－－１Ｔ～－－　二ｆ二ｉ～　－ｌ￡一七２　Ｌ　一—　一‘—一　“——　—　～ｆ　一　譬一蛰　一｛＿ｚ斗￣－｝Ｈ＊ｆ＋ｂ牛Ｈ一｛－一　鞯　ｌ。ＯＯ　８ＯＯ　６００　羹　ｏｏ　２ＯＯ　Ｏ　时ｌ￣］／ｓ　（ａ）试验一　一　～　丰嚣　４～　一一　一一　一士一年　一｛　＝｝＝｝＝　一卜１一‘卞　—卜Ｈ—Ｈ一　～ｔ～ｆ下　封ｊ二战　—。１　ｒ｝ｊ　寸十　十｝一一｝一　’‘　～　｛　【Ｌ上～　｝一　一　：ｊ卜ｉ　ｆ　｝ｆ　｛｝；｛｝　（ａ）试验一　各次试验的控制时序如下：　（１）试验一：低压点火，低压工作３．５　Ｓ后，气缸推　动喉栓到位置２，发动机转入高压工作，直到结束；　（２）试验二：低压点火，低压工作４　Ｓ后，气缸推动　喉栓到位置２，发动机转入高压工作，直到结束；　（３）试验三：低压点火，喉栓一直保持在位置２，发　动机高压工作，直到结束；　（４）试验四：高压点火，发动机在高压工作４　Ｓ后，　气缸拉动喉栓到位置１，发动机转入低压工作，直到结　束。　３．２试验结果　在这４次试验中，有３次试验完整地实现了变推　力，１次试验打了高压弹道。试验一推力比１：２．４，压　强比１：２．８；试验二推力比１：４．３，压强比１：５．６；试　验四推力比１：３．２，压强比１：４．４。各次试验弹道曲　线见图５、图６。　３．３试验分析　从试验一曲线可发现，调节过程压强爬升较慢，发　动机从低压４．２　ＭＰａ到高压１２．０　ＭＰａ经历了３　Ｓ多。　这种压强爬升缓慢影响多级变推力的实现，因此有必　要进行分析。影响压强响应的因素主要有推进剂燃烧　特性、喉部面积、发动机自由容积、喉栓运动速度等。