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1、第4卷第5期船舶力学Vol.4No.52000年10月JournalofShipMechanicsOct.2000水下推力矢量特性试验研究王宝寿,许晟,易淑群,王元虎,朱小敏(中国船舶科学研究中心,无锡214082)摘要:本文介绍了固体火箭发动机水下推力矢量特性试验。通过测量固体火箭发动机水下工作过程中的推力和侧向力,研究了扰流片和摆喷管两种推力矢量方式的水下推力矢量特性。对扰流片推力矢量方式,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷口堵塞面积比、水深的变化规律。对摆喷管推力矢量方式,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷
2、管偏角以及水深的变化规律。关键词:固体火箭发动机;推力矢量;水下;试验中图分类号:U661.71文献标识码:A1试验目的试验利用大型压力水筒的推力矢量试车台,测量固体火箭发动机水下点火工作过程中的推力和侧向力。试验目的:a.研究不同推力矢量控制方式下的水下推力矢量特性;b.研究水深对不同推力矢量控制方式下发动机推力和侧向力的影响。2试验概况试验分两次在中国船舶科学研究中心新研制的大型压力水筒中进行。压力水筒长8.5m,内部直径2m,可以加压到0.4MPa,模拟40m水深环境压力。水筒两侧分别开了二个70mm×400mm的有机
3、玻璃窗,用于观察和摄影,如图1所示。水筒的一端有一横隔板,将水筒分为两部分,增加自由面上空气体积,从而降低发动机工作过程中水面压力增幅。图1压力水筒照片收稿日期:2000-06-19作者简介:王宝寿(1963-),男,中国船舶科学研究中心高级工程师。10船舶力学第4卷第5期图2为固体火箭发动机水下推力矢量特性试验原理图。推力矢量试车台水平安装在压力水筒的一端,火箭发动机安装在试车台的动架上,当在压力水筒中注入一定深度的水后,即可进行火箭发动机水下测力试验。试验所用的试车台是自行研制的长圆杆式三分力火箭发动机试车台,已用于“推
4、力矢量地面和水下试验”。试车台由动架、静架、柔性件、连接件、测力传感器等组成。发动机被水平安装在动架上。动架和静架是通过柔性件相联接的。柔性件保证在承力主方向有足够的刚度,在其它方向有一定的柔性,使得动架只能沿着承力主方向移动。图2固体火箭发动机水下推力矢量特性试验原理图与敞水试验相比,本次试验的主要困难在于反复加压、卸压加压后带来的传感器、测试电缆及火箭发动机的水密问题。由于对推力和测向力传感器水密处理得当,未造成主推力和侧向力传感器绝缘下降等问题。试验过程中同时测量发动机喷管出口附近的压力及水面压力的变化,以了解固体火箭
5、发动机水下工作时的环境压力。测试信号经SA-55放大器放大后接入CRAS采样板,由计算机实时采样。本次试验共完成了扰流片和摆喷管两种推力矢量方式下的水下推力矢量特性研究。对扰流片推力矢量方式,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷口堵塞面积比、水深的变化规律。对摆喷管推力矢量方式,获得了推力、侧向力、推力矢量角随发动机喷管偏角以及水深的变化规律。3试验原理扰流片推力矢量方式和摆喷管推力矢量方式,它们产生侧向力的机理是不同的。扰流片推力矢量控制的原理是在发动机喷管出口处对称地安装扰流片,用于控制航行体的偏航和俯仰。当扰流片插
6、入到燃气流中时,就会在喷管扩张段产生斜激波,因而改变了喷管出口附近的压力分布及动量流分布,产生侧向力。摆喷管推力矢量控制的原理是喷管对称轴偏离发动机轴线,从而产生了垂直于发动机轴线的侧向力。第5期王宝寿等:水下推力矢量特性试验研究114试验模型试验用模型为扰流片模型和摆喷管模型两种,如图3和图4所示。图3扰流片推力矢量试验模型图4摆喷管推力矢量试验模型两种模型的发动机壳体、喷管喉部、出口尺寸及装药形式均相同。所不同的是扰流片模型在喷管出口处安装了一片扰流片,而摆喷管模型的喷管轴线(从喉部到扩张段)偏离发动机轴线一固定偏角。发
7、动机喷管出口直径De=19.19mm,喉部直径Dt=11.0mm,P0=9.0MPa,总温T0=2200K,燃气的比热比γ=1.29,工作时间t=0.820s。图5为火箭发动机燃烧室总压曲线。扰流片的工作面为圆弧面,圆弧半径与喷管出口半径相同。材料为3mm厚的1Cr18Ni9Ti,可以承受发动机燃气流的冲刷和烧蚀。图5火箭发动机燃烧室总压图6扰流片方式推力随喷口堵塞面积比的关系发动机喷口采用“O型”圈径向密封,该密封方式简单可靠。5试验结果及分析压力筒内水深(自底面至水面)H=1.30m,发动机轴线至静水面深Hw=0.7m。
8、水面初始压力设定为12船舶力学第4卷第5期P=0.100、0.200、0.300、0.400MPa,对应的模拟水深为10、20、30、40m。试验表明,发动机工作结束后水面环境压力升高(压力升高值/加压值)小于5%,通常为2%～3%,满足试验大纲要求。扰流片试验时,发动机喷口堵塞面积比ξ=
