挤压式伺服系统热环境分析与验证

成兆义，韦贯举，陈安平，李俊岩

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

0 引 言

某型固体运载火箭伺服系统箭上产品均安装在各级尾段内靠近喷管附近，工作时热环境条件苛刻，直接影响伺服系统的可靠工作。尤其是发动机工作时的喷流热辐射强度很大，而其尾段内安装有挤压式伺服系统，其中包括体积较大的挤压油箱和60 MPa高压气瓶，所受发动机喷流辐射的影响非常显著。为了确保挤压式伺服系统在高热流环境下能够正常可靠工作，必须对其进行详细的防热设计计算与分析。

由于局部热环境中热流数值为离散点，并不连续，无法确认伺服系统配套产品所在位置的热流密度。为了更准确进行仿真，首先要得到伺服箭上产品典型安装位置的热环境条件。根据以上条件，在一定约定条件下基于有限元软件进行仿真分析计算，最终根据计算结果确定防热方案。

挤压式伺服系统安装于发动机尾段内，其空间各点的热流在30 s之前呈快速上升趋势，在30～50 s为恒值325 kW/m2，50 s逐渐下降为225 kW/m2。确认伺服系统所处空间的热流强度，寻找出最恶劣热仿真计算点，同时选取合适的计算参数及边界条件进行计算是挤压式伺服系统防热设计的关键。

1 总体思路

通过计算局部热环境参数，并参考其他型号发动机地面试车试验结果所给出的设计条件确定局部热环境设计条件，其中对发动机喷流对底部辐射热流分布Q从计算点到发动机喷管出口平面垂直距离 H、计算点到发动机喷管轴线垂直距离R两个参数上进行明确。

对固体火箭发动机附近复杂热环境下的伺服系统受热辐射进行仿真计算，以此为依据对挤压式伺服系统进行防热设计：

a）基准坐标定义。

为便于进行伺服系统热流环境条件的分析，定义了伺服系统在全箭内部安装的坐标系，以此作为热流计算基准坐标，由于发动机喷口喷流辐射热流主要与发动机喷管出口平面垂直距离以及发动机喷管轴线垂直距离有关，因此基准坐标定义也将参考这两个因素。

b）热辐射密度场插值。

由于发动机喷管附近热流数值为离散点，并不连续，不便确认伺服系统配套产品所在位置的热流密度。为更准确进行仿真，首先以条件中各空间点的热流值为基础，进行二维插值计算，得到发动机尾段内部的热流分布场[1]。

c）基于有限元软件的热辐射仿真。

利用有限元软件并依据热流分布场的特点进行仿真分析计算，计算前需经过多种假设以及约定，同时根据产品不同外形特征，折算所受热辐射强度。

2 防热分析和防热方案

在定义基准坐标系基础上，针对热空间环境[2]进行插值计算，找出最恶劣的区域，采用有限元软件进行仿真分析计算，最终确认防热方案及相关措施。

a）基准坐标系定义。

基准坐标系定义如下：

以发动机喷管喷口端面与箭体轴线交点为原心；以箭体第Ⅰ象限点指向第Ⅲ象限点为 X轴正；以第Ⅱ象限点指向第Ⅳ象限点为 Y轴正；以由喷管喷口端面指向箭首为Z向正。如图1所示。

图1 伺服系统安装简图Fig.1 Sero-system Installation Diagram

b）热辐射密度场插值。

发动机尾段内空间各点的热流与参考热流的关系为Q=k×Qref，其中：Qref为参考基准热流，与工作时间相关；k为比例因子，其分布与H，R相关，如表1所示。由表1可以看出H越小，R越大，比例因子k越大，热流值Q就越大，且R对热流值的影响比H对热流值的影响更大，因此伺服系统关注区域既考虑各单机距离喷管出口较近的一侧，同时选择各单机沿箭体轴线投影区域 R值较大（更接近于尾段）的点作为该单机产品所承受的热流条件。

c）基于有限元软件的热辐射仿真。

为了使计算更为严酷，假设伺服系统的周围环境充满封闭的空气。干空气在100 ℃时，热传导系数为3.21×10-2W/(m·K)，产品表面上的热量在短时间内不会通过空气传导，在工作时间内热量大部分以辐射形式传递[3]。在仿真计算时，不考虑壳体内部辐射，计算的壳体温度将会比实际值偏大，更加严酷一些。

表1 发动机底部热流分布比例因子kTab.1 Heat-flux Distribution Scale Factor k of Engine Bottom Side

以单机为单位，均选取热流关注区域最大值进行计算。在本文的计算中，由于伺服系统所属单机安装位置的不同，不同类型表面所受热辐射的热流密度也不尽相同，有如下3种情形：

a）受热辐射表面为平面。

设被照射面与热流方向夹角为θ，则照射该表面上的热流密度为

式中 θ为被照射面与热流方向夹角；1Q为产品实际承受的热流密度；0Q为初始受热辐射热流密度。

b）受热辐射表面为柱面。

表面所受到的热流密度Q1为

c）受热辐射表面为球面。

表面所受到的热流密度Q1为

考虑到伺服系统内部各个零部件之间的接触热传导，需要给定伺服产品各种材料的热学属性，如表 2所示，材料热学属性通过软件内材料库选取，若内置材料库没有合适的选择，将新建材料属性（主要设置导热率、比热、辐射吸收比等热特性参数）[4]。伺服系统各单机热流关注插值结果如表3所示。

表2 材料导热系数及热辐射吸收比Tab.2 Coefficient of Heat Conductivity and Thermal Flow Absorptance

表3 伺服系统各单机热流关注插值结果Tab.3 Interpolation Formula of Thermal Flow for Sero-system Single Machine

经过以上的计算分析，伺服系统的热流辐射强度和持续时间最为恶劣，尤其是高压气瓶、挤压油箱处计算最高温度最大，因此除对高压气瓶产品本身采取热防护设计和措施外，必须对高压气瓶和挤压油箱进行箭上热防护。利用Ansys Workbench瞬态热力学分析进行仿真计算[5,6]，表4为伺服系统热流环境计算结果汇总，图2为高压气瓶热流辐射仿真结果。

表4 伺服系统各单机热流仿真计算结果Tab.4 Simulation Result of Thermal Flow for Sero-system Single Machine

图2 高压气瓶热流辐射仿真结果Fig.2 Simulation Result of Thermal Flow for High-pressure Gas Cylinder

3 试验验证

目前，按照热流条件对高压气瓶试片、测量装置以及伺服电缆网的热防护方案进行了热流试验[7]，在防热层内设置温度传感器，经试验测得在防热层的保护下温升均不超过150 ℃。该防热方案能够满足伺服系统箭上使用要求。

具体试验验证及试验结果如下：

a）当气瓶试片包裹3层高温绝热布时，气瓶内壁温度及9621绝热橡胶下温度最高仅为44.7 ℃左右；同时试件外3层高温绝热布有2层碳化，最里层高温绝热布完好，试件全部完好。温度曲线如图3所示。

b）当气瓶试片包裹2层高温绝热布时，气瓶内壁温度及9621绝热橡胶下温度最高仅为66.18 ℃左右；同时试件外 2层高温绝热布全部被碳化，试件最外层固定9621橡胶的玻璃纤维有微小变形，内部9621橡胶完好无损。温度曲线如图4所示。

c）当气瓶试片包裹1层高温绝热布时，气瓶内壁温度及9621绝热橡胶下温度最高为104.3 ℃左右；同时试件外 1层高温绝热布全部被碳化，试件最外层固定 9621橡胶的玻璃纤维也随之碳化，内部 1 mm厚9621橡胶已经出现粘性变形。热流试验结果如表5所示，温度曲线如图5所示。

图3 包裹3层高温绝热布气瓶试片内部温度曲线Fig.3 Test Piece of Gas Cylinder Inner Temperature by Three Layers of Heat-insulating Materials

图4 包裹2层高温绝热布气瓶试片内部温度曲线Fig.4 Test Piece of Gas Cylinder Inner Temperature by Two Layers of Heat-insulating Materials

表5 气瓶试片热流试验结果Tab.5 Test Result of Thermal Flow for Test Piece of Gas Cylinder

图5 包裹1层高温绝热布气瓶试片内部温度曲线Fig.5 Test Piece of Gas Cylinder Inner Temperature by One Layer of Heat-insulating Materials

经分析，由于气瓶试片本身缠绕了1 mm厚9621绝热橡胶，其在防热的基础上还具有隔热特性，因此当气瓶试片外层高温绝热布被碳化后，在原本绝热布碳化层隔热的基础上又增加一层 1 mm厚隔热层，在较短的时间内，热量传递至气瓶碳纤维层时的温升不会很高，传导至内胆处的温升更小；同时，高压气瓶在飞行工作时处于放气降温状态，这将进一步缓解热流辐射等热环境带来的温升。目前，即使采用 1层高温绝热布，碳纤维缠绕层外部温度最高仅为 104.037 ℃，仍然低于碳纤维缠绕层的缠绕固化温度150 ℃。

仿真结果与实际试验结果的差距主要由于仿真计算无法准确反映防护层受热碳化后的热传递过程，同时计算时部分条件简化。

4 结 论

对于固体火箭伺服系统，根据局部热环境条件以及伺服产品的箭上空间布局进行了插值分析，确认了伺服系统所受发动机喷流辐射的最大影响部位，使热防护设计进一步精细化，提高了防热设计的针对性和准确性，这对于类似固体运载火箭伺服系统防热初步分析具有重要指导作用；同时对规范伺服系统防热设计思路和方法作出重要的尝试和探索。

通过对复杂热环境下的挤压式伺服系统热环境适应性仿真计算和分析，结合以往飞行验证经验，提出合理可行的热防护方案，不仅对于本型号伺服系统具有重要的参考价值，而且对于箭上其他处于复杂热环境下的产品具有借鉴意义。