雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)定義

導(dǎo)彈飛行優(yōu)化控制和推進(jìn)劑能量最優(yōu)管理需要，發(fā)展了一種采用隔層式 ( 軟隔離) 或隔艙式 ( 硬隔離) 隔離裝置進(jìn)行固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室分隔的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多次關(guān)機(jī)、啟動(dòng)。在現(xiàn)有兩種形式隔離裝置中，隔艙式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、下一級(jí)脈沖裝藥形式限制小、打開壓強(qiáng)統(tǒng)一性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐漸發(fā)展形成噴射棒、非金屬易碎、金屬膜片等形式隔離裝置的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)。

金屬膜片式隔艙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)常選用金屬或非金屬支撐件、一側(cè)經(jīng)絕熱處理的金屬膜片組合進(jìn)行燃燒室分隔，經(jīng)驗(yàn)證，該方案采用隔熱層、沉淀硬化不銹鋼隔板本體、絕熱層和金屬膜片結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)燃燒室分隔，但仍存在質(zhì)量大、絕熱特性差等缺點(diǎn)。提出了8通氣孔金屬隔板設(shè)計(jì)，提高了絕熱和抗燒蝕性能，但結(jié)構(gòu)型面仍有不足。

輪輻式支撐件可減小隔艙重量，并且可與密封膜片緊密貼實(shí)，因此被廣泛應(yīng)用于各類脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，在膜片上還能實(shí)施刻痕、絕熱處理、材料改進(jìn)等措施，可進(jìn)一步改善打開壓強(qiáng)、材料敏感性等特性。

膜片金屬膜片設(shè)計(jì)

采用金屬膜片和輪輻式支撐構(gòu)成隔艙結(jié)構(gòu)完成雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室級(jí)間隔離。其工作原理為： I 脈沖點(diǎn)火工作時(shí)，在金屬膜片分隔作用下兩脈沖燃燒室保持獨(dú)立； 當(dāng) II 脈沖工作內(nèi)壓達(dá)到打開壓強(qiáng)后，膜片按預(yù)先設(shè)計(jì)形式破裂，兩級(jí)燃燒室貫通，燃?xì)庖来瓮ㄟ^隔艙結(jié)構(gòu)、I 脈沖燃燒室和尾噴管后排出，產(chǎn)生第二次推力。

為實(shí)現(xiàn)以上工作過程，金屬膜片在隔艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中占重要地位。根據(jù)液體發(fā)動(dòng)機(jī)閥門破裂膜片研究方法，確定采用強(qiáng)度高、易變形的LY12鋁合金材料、薄板形式金屬膜片。另外，為可靠、方便地控制打開壓強(qiáng)、隔艙消融形狀，還需在其一側(cè)進(jìn)行預(yù)先刻痕處理。

膜片應(yīng)力強(qiáng)度因子公式推導(dǎo)

在不影響結(jié)論正確性基礎(chǔ)上，做以下假設(shè)以便合理確定預(yù)制缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成膜片設(shè)計(jì)：

( 1) 選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對(duì)象，將該截面簡(jiǎn)化為二維板條結(jié)構(gòu)。

( 2) 膜片實(shí)際破壞過程為瞬間動(dòng)態(tài)過程，材料還未發(fā)生塑性屈服，近似認(rèn)為膜片的動(dòng)態(tài)破壞過程為線彈性斷裂問題。

( 3) 圓弧長(zhǎng)度與預(yù)制缺陷V型槽斜面長(zhǎng)比值小于0.05倍時(shí)，膜片打開壓強(qiáng)對(duì)預(yù)制缺陷尖端圓角并不敏感，因此，預(yù)制缺陷需確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅為V型槽開口角度α，缺陷深度a和膜片厚度h。

此外，由于所確定的金屬膜片預(yù)制缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)完全相同，忽略各缺陷槽之間的影響，任取其中任一條缺陷作為研究對(duì)象；所設(shè)計(jì)的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴(kuò)展破壞，因此只需求解預(yù)制缺陷處的 I 型應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI 即可表征金屬膜片設(shè)計(jì)合理性。

膜片金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)II脈沖藥柱穩(wěn)定點(diǎn)燃初始?jí)簭?qiáng)控制要求，確定金屬膜片設(shè)計(jì)打開壓強(qiáng)為2.2MPa。在某實(shí)際隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)直徑限制膜片半徑R =142mm時(shí)，確定動(dòng)態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m²的膜片結(jié)構(gòu)尺寸分別為： 開口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經(jīng)計(jì)算，在該參數(shù)條件時(shí)預(yù)制缺陷上應(yīng)力強(qiáng)度因子隨徑向距離變化關(guān)系?？梢钥闯觯?由于圓板中心處應(yīng)力最大，應(yīng)力強(qiáng)度因子在該處也達(dá)到極大值，其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到21.4 MPa/m² ，大于對(duì)應(yīng)材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內(nèi)壓作用下，膜片將從中心位置開始破壞并逐步擴(kuò)展致整個(gè)預(yù)制缺陷，符合預(yù)先設(shè)計(jì)。

膜片金屬膜片打開驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為考核結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性，采用裝置開展隔艙金屬膜片打開單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結(jié)構(gòu)、進(jìn)壓口、測(cè)試裝置等部件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中在 II 脈沖集氣室內(nèi)裝填假藥柱以真實(shí)模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)自由空間，通過設(shè)置在兩個(gè)集壓室的進(jìn)壓口與利用適量點(diǎn)火藥產(chǎn)生的壓強(qiáng)相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室初始?jí)簭?qiáng)。

針對(duì)設(shè)計(jì)膜片結(jié)構(gòu)開展6次實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行的膜片完整性檢查結(jié)果顯示： 除第一次實(shí)驗(yàn)中膜片結(jié)構(gòu)較為完整外，其余均從預(yù)制缺陷位置產(chǎn)生3～ 5條數(shù)量不等的 I 型貫穿性裂紋，與預(yù)先“米”字形設(shè)計(jì)一致。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)后五次實(shí)驗(yàn)中各條缺陷均未同時(shí)貫穿，主要原因在于：應(yīng)力強(qiáng)度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大，必然導(dǎo)致破壞程度存在一定差異。

第一次實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火藥產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)僅為1.68MPa，小于打開壓強(qiáng)設(shè)計(jì)值，因此膜片打開失敗； 其余5次實(shí)驗(yàn)因建壓加載速率差異等因素影響，各次實(shí)驗(yàn)曲線間存在一定差異，但總體變化趨勢(shì)趨于一致，五次實(shí)驗(yàn)中打開壓 強(qiáng)平均值為2.10MPa，與設(shè)計(jì)值誤差約為4.545% ，說明采用所建立方法獲得的金屬膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。