装药结构对固体火箭发动机烤燃温度分布的影响

杨筱 智小琦 杨宝良 李娟娟

杨筱, 智小琦, 杨宝良, 李娟娟. 装药结构对固体火箭发动机烤燃温度分布的影响[J]. 高压物理学报, 2017, 31(4): 433-442. doi: 10.11858/gywlxb.2017.04.012
引用本文: 杨筱, 智小琦, 杨宝良, 李娟娟. 装药结构对固体火箭发动机烤燃温度分布的影响[J]. 高压物理学报, 2017, 31(4): 433-442. doi: 10.11858/gywlxb.2017.04.012
YANG Xiao, ZHI Xiao-Qi, YANG Bao-Lang, LI Juan-Juan. Influence of Charge Structure on the Cook-off Temperature Distribution of Solid Rocket Motor[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2017, 31(4): 433-442. doi: 10.11858/gywlxb.2017.04.012
Citation: YANG Xiao, ZHI Xiao-Qi, YANG Bao-Lang, LI Juan-Juan. Influence of Charge Structure on the Cook-off Temperature Distribution of Solid Rocket Motor[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2017, 31(4): 433-442. doi: 10.11858/gywlxb.2017.04.012

装药结构对固体火箭发动机烤燃温度分布的影响

doi: 10.11858/gywlxb.2017.04.012
详细信息
    作者简介:

    杨筱(1990—), 男,硕士研究生,主要从事弹药易损性研究.E-mail:420381yx@sina.com

  • 中图分类号: O382.3; TJ55

Influence of Charge Structure on the Cook-off Temperature Distribution of Solid Rocket Motor

  • 摘要: 为研究装药结构对固体火箭发动机烤燃特性的影响,以装填HTPE推进剂的固体火箭发动机为研究对象,建立了复合、单孔管形及星孔形3种装药结构的固体发动机烤燃模型。以1和2℃/min的升温速率对小尺寸HTPE推进剂烤燃试样进行烤燃实验,以实验结果为基础,修正了推进剂材料参数。利用Fluent软件对3种装药结构在不同升温速率(β)下的烤燃行为进行了数值模拟。结果表明:装药结构对固体火箭发动机的烤燃响应时间、点火点和快/慢速烤燃的划分都有影响; 星孔形装药会导致点火点出现跳跃性变化的临界升温速率效应,而单孔管形装药不存在此现象。在本研究条件下,包含星孔段的复合装药发动机的临界升温速率为0.2℃/min,星孔形装药发动机的临界升温速率为0.3和0.5℃/min,即当0.3℃/min≤β≤0.5℃/min时点火点发生跳跃变化。

     

  • 图  小尺寸烤燃试样

    Figure  1.  Small-size cook-off sample

    图  烤燃试样实验后状态

    Figure  2.  Status of cook-off sample after experiment

    图  烤燃实验响应时刻的温度云图

    Figure  3.  Temperature distribution of cook-off test at response time

    图  不同装药结构的固体火箭发动机结构

    Figure  4.  Solid rocket motor with 3 different charge structures

    图  3种装药结构发动机的烤燃物理模型

    Figure  5.  Models of rocket motor with 3 charge structures

    图  升温速率为0.1、0.2、0.3、0.5℃/min时复合装药发动机在烤燃响应时刻的温度云图

    Figure  6.  Temperature distribution of motor with composite charging at response time when β=0.1, 0.2, 0.3, 0.5℃/min

    图  升温速率为0.2、0.3、0.5、0.6℃/min时星孔形装药发动机在烤燃响应时刻的温度云图

    Figure  7.  Temperature distribution of motor with star tube charging at response time when β=0.2, 0.3, 0.5, 0.6℃/min

    图  升温速率为0.055、0.5、2.0℃/min时单孔管形装药发动机在烤燃响应时刻的温度云图

    Figure  8.  Temperature distribution of motor with mono tube charging at response time when β=0.055, 0.5, 2.0℃/min

    表  1  HTPE推进剂烤燃实验结果

    Table  1.   Experiment result of cook-off of HTPE propellant

    β/
    (℃/min)
    tr/
    (min)
    Tr/
    (℃)
    1 139.8 165.0
    2 73.3 171.6
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    表  2  推进剂材料参数

    Table  2.   Material parameters of HTPE propellant

    ρ/
    (kg/m3)
    cV/
    (J/(kg·K))
    λ/
    (J/(m·K·s))
    Q/
    (MJ/kg)
    A/
    (s-1)
    E/
    (kJ/mol)
    R/
    (J/(mol·K))
    1726 840 0.42 6.348 7.25×108 114.261 8.314
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    表  3  小尺寸试样仿真结果

    Table  3.   Simulation results of small-size sample

    β/(℃/min) tr/(min) Tr/(℃) Temperature of ignition/(℃) δt/(%)
    1 141.00 166.00 232.50 0.86
    2 72.23 169.46 231.64 1.50
    Note:δt is the relative error of response time (tr).
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    表  4  材料的物性参数

    Table  4.   Physical parameters of materials

    Material ρ/
    (kg/m3)
    cV/
    (J/(kg·K))
    λ/
    (J/(m·K·s))
    Case 7850 480 43
    Insulation 870 1670 0.22
    Air 1.225 1006.43 0.0242
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    表  5  不同升温速率下固体火箭发动机烤燃计算结果

    Table  5.   Results of cook-off of solid rocket motor at different heating rates

    β/
    (℃/min)
    Composite Mono tube Star tube
    tr/(h) Tr/(℃) tr/(h) Tr/(℃) tr/(h) Tr/(℃)
    0.055 28.83 120.13 28.77 119.95 29.10 121.00
    0.083 19.72 123.62 19.71 123.53 19.85 124.27
    0.1 16.75 125.51 16.74 125.45 16.78 125.65
    0.5 4.21 151.24 4.23 151.79 4.25 152.45
    1.0 2.32 164.27 2.33 164.33 2.36 166.73
    1.5 1.64 172.48 1.65 172.50 1.67 175.15
    2.0 1.28 178.68 1.29 178.73 1.30 180.83
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    表  6  不同升温速率下发动机烤燃点火位置

    Table  6.   Ignition positions of cook-off at different heating rates

    β/
    (℃/min)
    Composite Mono tube Star tube
    l/(mm) r/(mm) l/(mm) r/(mm) l/(mm) r/(mm)
    0.055 919.5-936.5 8 214.0-254.0 5 73-95 4.3
    0.1 932.0-954.0 8 123.5-135.0 5 69-102 4.3
    0.5 12.1-16.3 40 10.0-18.0 41 1290-1315 42.6
    1.0 5.0-9.6 47 3.1-11.5 47 5-9 48.8
    1.5 2.2-7.2 49 1.1-8.9 49 1-7 50.0
    2.0 0-5.7 50 0-8.0 50 0-6 50.7
    Note:l is the axial distance to the front face of the propellant grain, r is the radial distance to the internal surface of the propellant grain.
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  • [1] Military standard-hazard assessment tests for non-nuclear munitions: MIL-STD-2105C[S]. 2003.
    [2] HO S Y.Thermomechanical properties of rocket propellants and correlation with cook-off behavior[J]. Propell Explos Pyrot, 1995, 20(4):206-214. doi: 10.1002/prep.19950200409/full
    [3] CARO R I, BELLERBY J M.Behavior of hydroxyl-terminated polyether (HTPE) composite rocket propellants in slow cook-off[J]. Int J Energ Mater Chem Propul, 2008, 7(3):171-185.
    [4] 赵孝彬, 李军, 程立国, 等.固体推进剂慢速烤燃特性的影响因素研究[J].含能材料, 2011, 19(6):669-672. doi: 10.3969/j.issn.1006-9941.2011.06.016

    ZHAO X B, LI J, CHENG L G, et al.Influence factors of slow cook-off characteristic for solid propellant[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2011, 19(6):669-672. doi: 10.3969/j.issn.1006-9941.2011.06.016
    [5] 陈晨, 路桂娥, 江劲勇, 等.GATo-3推进剂的烤燃实验[J].含能材料, 2015, 23(6):563-567. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hncl201506011

    CHEN C, LU G E, JIANG J Y, et al.Cook-off test of GATo-3 propellant[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2015, 23(6):563-567. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hncl201506011
    [6] 原渭兰, 潘浪.一种舰载导弹固体火箭发动机烤燃过程的数值计算方法[J].舰船科学技术, 2009, 31(7):129-132. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2009.07.029

    YUAN W L, PAN L.An numerical calculation method on cook-off of solid rocket motor of ship-based missiles[J]. Ship Science and Technology, 2009, 31(7):129-132. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2009.07.029
    [7] 杨后文, 余永刚, 叶锐.AP/HTPB复合固体推进剂慢烤燃特性的数值模拟[J].含能材料, 2015, 23(10):924-929. doi: 10.11943/j.issn.1006-9941.2015.10.002

    YANG H W, YU Y G, YE R.Numerical simulation of slow cook-off characteristic for AP/HTPB composite solid propellant[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2015, 23(10):924-929. doi: 10.11943/j.issn.1006-9941.2015.10.002
    [8] 杨后文, 余永刚, 叶锐.不同火焰环境下固体火箭发动机烤燃特性数值模拟[J].兵工学报, 2015, 36(9):1640-1646. doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.006

    YANG H W, YU Y G, YE R.Numerical simulation of cook-off characteristic of solid rocket motor in different flame environments[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(9):1640-1646. doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.006
    [9] 丁黎, 王琼, 王江宁, 等.高固含量改性双基推进剂的烤燃试验研究[J].固体火箭技术, 2014, 37(6):829-837. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gthjjs201406017

    DING L, WANG Q, WANG J N, et al.Study of screw extrusion modified double base (MDB) propellant with high solid congtent by cook-off test[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2014, 37(6):829-837. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gthjjs201406017
    [10] 冯长根.热爆炸理论[M].北京:科学出版社, 1988.

    FENG C G.Thermal explosion theory[M]. Beijing:Science Press, 1988.
    [11] 王福军.计算流体动力学[M].北京:清华大学出版社, 2004.

    WANG F J.Analysis of computational fluid dynamics[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2004.
    [12] Fluent Inc.FLUENT user's guide[Z]. US: Fluent Inc, 2006.
    [13] 陈朗, 马欣, 黄毅民, 等.炸药多点测温烤燃实验和数值模拟[J].兵工学报, 2011, 32(10):1230-1236. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/bgxb201110010

    CHEN L, MA X, HUANG Y M, et al.Multi-point temperature measuring cook-off test and numerical simulation of explosive[J]. Acta Armamentarii, 2011, 32(10):1230-1236. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/bgxb201110010
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  • 收稿日期:  2016-11-17
  • 修回日期:  2017-04-02

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