固体发动机水下点火尾流变化过程试验研究

贾有军，张胜敏，尤俊峰，白彦军

(中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025)



固体发动机水下点火尾流变化过程试验研究

贾有军，张胜敏，尤俊峰，白彦军

(中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025)

采用高速摄像机对发动机水下点火工作的尾流生长变化过程进行了记录，获得了尾流形态及其演化过程，分析了水环境对发动机尾流结构变化的影响。试验结果表明，发动机水下点火瞬态特性与空气中有很大的不同，水下尾流前进速度相比在空气中显著降低，同时轴向阻滞作用导致尾流向径向扩展；尾流可分为气泡区、掺混区和混合区；尾流一直发生小幅震荡，间歇发生大幅震荡，小幅震荡和大幅震荡是发动机水下工作的基本属性。

固体火箭发动机；水下点火；尾流场；试验研究

0 引言

近年来，先进突防与拦截技术的发展对于固体火箭发动机水下点火工作提出了越来越多的应用需求。固体火箭发动机水下点火初期，射流将在喷管出口附近形成一个不断增长的燃气泡，燃气泡的形成与运动规律对导弹水动力特性有很大影响，进而影响到导弹在水中的弹道和出水姿态[1]。同时，尾流的振动特性会对水下航行器或导弹的电子设备及连接结构可靠性带来较大影响。

由于实验成本和实验条件的限制，以固体燃气发生器开展接近真实水下发射环境的实验研究很少，大多以高压空气或氮气等水下冷气射流实验研究为主[2-3]，该类实验无法模拟高温燃气与水介质之间的相变现象及真实燃气泡的生长变化过程。国内已有一些文献采用多项假设，利用数值方法研究了燃气泡的生成及其变化规律，但由于实际过程的复杂性，相关计算结果与实际情况差异较大[4-7]，研究结果仅具有定性意义。因此，在接近真实状态水下发射实验环境，采用真实固体火箭发动机研究水下点火尾流变化过程，对于了解固体火箭发动机水下点火工作基本规律具有重要意义。

本文利用搭建的水下点火试车试验系统，采用高速摄像机对试验发动机尾流的形貌及其变化过程进行了记录和分析，获得了发动机水下工作过程中尾流场演化的直接认识，掌握了不同于空气中尾流场的水下尾流场基本特性，为后续深入研究及工程应用提供了有效参考。

1 试验装置

水下点火试验系统由试验环境模拟容器、试验发动机、高速摄像机和数据采集及测量系统等部分组成，如图1所示。

图1 水下点火试验系统布局示意图Fig.1 Schematic diagram of underwater ignition test system

试验环境模拟容器直径为2 m，长约8 m，舱内空间分为试车舱和压力平衡舱。试车舱长约5 m，内部布置发动机试车台，试车时安装发动机并注水；压力平衡舱长约3 m，用于容器加压，模拟不同水深压力，同时作为发动机排放气体贮存与缓冲容器，防止排放的燃气导致舱内水压快速上升。

水下点火试验的步骤是将发动机安装于舱内试车台上，连接传感器；对试车舱注水，当水超过观察窗一定高度时停止注水；对压力平衡舱加压，使舱内水压达到设计深度时的静水压力；开始试车，测量数据；试车完成后排气、放水。

为了研究固体发动机水下点火工作过程中的尾流发展，在2个透明窗体外，布置了2架拍摄速度达1 000桢/s的高速摄像机，可获得发动机从点火到熄火的整个水下点火尾流场的详细发展过程。

为避免水面边缘效应对试验结果产生较大影响，试验中严格控制了发动机规模。本次试验中，喷管出口中心线距自由液面距离达25倍喷管出口直径以上，水面边缘效应对试验结果影响很小。

2 试验结果及分析

从摄像中可清楚地观察到发动机水下工作点火瞬态、气泡的形成、收缩、膨胀、断裂，以及燃气与水的剧烈掺混，两相界面间的水汽化现象等。通过对高速摄像的分析，可获得对发动机水下点火尾流场的直观认识。本文选取模拟水深10 m的水下点火热试车进行分析。

2.1 点火瞬态尾流分析

图2为试验发动机水下点火瞬态尾流场照片，从中可观察到喷管堵盖打开到燃烧室压强建立的整个点火瞬态过程。

由图2可见，在射流初期(0～4 ms)，燃气流排出喷管后，由于受到周围水介质的阻滞作用，向四周翻卷形成回流，该回流使得燃气流首先从喷管出口边缘开始突破，向外翻卷生长，径向生长速度高于轴向生长速度，尾流呈现轴向内凹形状(4 ms)。随着尾流继续生长，并将喷管出口包裹在内，尾流场内可明显看出燃气回流形成的涡。6 ms时尾流直径达到喷管出口外径约3倍，尾流沿径向生长放缓，以柱状形式向下游扩展，在扩展的过程中，燃气流与水介质不断进行强烈的气液掺混。由于尾流在沿下游不断生长的过程中，一直受到水介质的压缩作用，射流通道变窄，21 ms时尾流在距喷管出口约140 mm处发生了强烈的“颈缩”现象；同时，临近“颈缩”部位尾流发生径向膨胀，并与水进行了较强掺混，此次“颈缩”现象导致尾流断裂(24 ms)。随后，尾流再度生长扩大，并向下游快速推进，尾流场不同部位不断发生着“膨胀-收缩-膨胀”的现象(58 ms)；随着尾流向下游推进，尾流沿直径方向不断增大，形成一定角度的锥体；179 ms时尾流场形状基本确定，但仍处于不断“膨胀-收缩-膨胀”的震荡中。

2.2 稳定工作段尾流分析

图3为尾流基本稳定时的形状。可看出，尾流明显分为3个区域：气泡区、掺混区和混合区。气泡区内主要为喷管排出的高温燃气，气泡区和周围水介质存在明显的界面，在气液边界处不断发生振颤现象，射流通道产生小幅度的膨胀-收缩震荡过程；混合区主要是气液混合体，由水和大量气泡组成，在混合区内存在大量涡流，混合区从上游到下游整体呈现锥形形状；掺混区位于二者之间，高速气体与水之间的剪切力导致气水边界发生剧烈掺混，两者之间界面模糊，且剧烈掺混会对射流波系结构产生影响，气泡区末端不停地发生断裂及破裂现象。

对尾流场照片连续放映，可观察到整个尾流尤其是气泡区处于不断的膨胀-收缩-膨胀-收缩循环过程中，且在气泡区末端不断发生断裂及破裂现象，燃气与水发生强烈掺混，这种现象可理解为尾流的震荡特性，这种震荡的频率基本上小于10 ms。

除通常的小幅震荡外，水下试车还发现了数次燃气泡的大幅收缩-膨胀现象，图4为燃气泡的一次大幅震荡过程照片，整个过程持续时间约40 ms。值得注意的是在燃气泡大幅震荡过程中，气泡区仍在不停地做着小幅的膨胀收缩，或者说是小幅震荡。本次研究的其他发动机水下试车也发现了相同现象，说明大幅震荡和小幅震荡是发动机水下点火工作的基本属性。

(a)0 s (b)2 ms (c)4 ms

(d)6 ms (e)8 ms (f)10 ms

(g)12 ms (h)21 ms (i)24 ms

(j)45 ms (k)58 ms (l)95 ms

(m)179 ms (n)245 ms (o)275 ms

图3 尾流场区域分布Fig.3 Regions of wake

图5为尾流前锋瞬态流场照片。从图5可看出，水下尾流的形态与地面试车尾流有很大的不同。由于受到水的阻滞作用，尾流前锋部位射流动压转变为静压，而压力上升使得尾流向径向扩展，尾流前锋呈现内凹形状。最终，由于能量耗竭，此类现象不再持续。同时，气液边界处不断地进行相变转化，尾流内不断进行着膨胀-收缩-断裂的小幅震荡。

2.3 压强下降段尾流分析

图6为压强下降段尾流场照片。从图6可看出，

随着燃烧室压强的快速下降，由于周围水介质的压力及阻滞作用，尾部气泡区不断缩小，最后混合区进入喷管，导致发动机熄灭。

(a)446 ms (b)447 ms (c)478 ms

(a)288 ms (b)304 ms (c)324 ms

(d)344 ms (e)374 ms (f)404 ms

(a)2 784 ms (b)2 792 ms (c)2 800 ms

(d)2 896 ms (e)2 913 ms (f)2 946 ms

3 结论

(1)由于水的高密度及不可压特性，发动机水下点火瞬态特性与空气中有很大的不同：高密度水介质极大地限制了尾流气体的扩展，相比在空气中，其向下游前进速度显著降低，同时轴向阻滞作用导致尾流向径向扩展。

(2)工作稳定时的尾流基本分为3个区域：气泡区、掺混区和混合区。气泡区内气液边界处不断发生振颤现象，射流通道产生小幅震荡；掺混区内不断发生燃气泡的断裂及破裂现象；在混合区内存在大量涡流，混合区整体呈现锥形形状。

(3)水下试车过程中，尾流一直做小幅震荡，小幅震荡频率约为10 ms；同时，间歇发生大幅震荡现象，大幅震荡持续时间约为40 ms；小幅震荡和大幅震荡都是发动机水下点火工作的固有属性。

[1] 吕翔，李江，魏祥庚，等. 变深度模拟发射实验导弹出筒速度测量方法[J]. 固体火箭技术，2011，34(2)：265-268.

[2] 王柏懿，戴振卿，戚隆溪，等. 水下超声速气体射流回击现象的实验研究[J]. 力学学报，2007，39(2)：267-272.

[3] 姚琰，鲁传敬，朱坤. 水下高速气体射流的实验研究[J]. 水动力学研究与进展，2009，24(5)：590-595.

[4] 曹嘉怡，鲁传敬，陈鑫，等. 导弹水下热发射出筒过程流动特性[J]. 固体火箭技术，34(3): 281-284.

[5] 甘晓松，贾有军，鲁传敬，等. 水下燃气射流流场数值模拟[J]. 固体火箭技术，2009, 32(1): 23-26.

[6] 王建儒，赵仕厂. 水下固体火箭发动机尾流场计算[J]. 固体火箭技术，2007, 30(5)：388-391.

[7] 朱卫兵，陈宏. 固体火箭发动机水下燃气泡计算[J]. 固体火箭技术，2009, 32(5)：486-491.

(编辑：崔贤彬)

Experimental research on the changing process of underwater ignition wake of solid rocket motor

JIA You-jun, ZHANG Sheng-min, YOU Jun-feng, BAI Yan-jun

(The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC, Xi'an 710025,China)

Using high-speed cameras to catch the growth of the changing process of underwater ignition wake to obtain the wake flow and its evolution process, and to analyze the water environmental impact on wake structure changes. The experiments show that the characteristics of underwater wake are very different from those in the air. The forward speed of underwater wake is significantly reduced than in air, while the axial blockade leads to wake expansion in radial direction. The wake flow can be divided into bubble zone, blending zone and mixed zone. The wake is always shocking slightly, and intermittently shocking sharply. Small shocks and large shocks are the fundamental property of underwater wake flow of solid rocket motor.

solid rocket motor；underwater ignition；wake field；experimental investigation

2015-06-02；

：2015-07-01。

贾有军(1975—)，男，高级工程师，研究方向为固体火箭发动机设计与研究。E-mail:zyyan111@163.com

V435

A

1006-2793(2015)05-0660-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.05.011