选择固体火箭发动机点火方式和内孔工艺的时候,需要注意设计喷燃比变化曲线和实际情况的区别。
发动机设计时计算的喷燃比变化曲线,是假定瞬间点燃药柱暴露的内表面,药柱各处燃烧的速度相同。
但实际上并非如此,如果点火药的温度不够,或者装药的形式不对没有暴露燃烧面,则不能达到期望的点火效果,药柱有的地方就会烧出凹坑,甚至是先烧完。药柱中的气泡和大块的ap也是同样的影响。
这样会使得喷燃比的变化过程与计算值不一致,产生三个影响:
1. 喷燃比与设计不符,推力曲线不是期望值
依据零维内弹道方程,喷燃比和燃烧室平衡压强是一一对应的关系,可以画出喷燃比和燃烧室平衡压强的曲线图。
喷燃比-时间曲线不符合设计,则压力变化也会与设计不同。
而推力与燃烧室压力成正比,推力曲线就会和设计值相差甚远。
2. 药柱局部烧穿导致壳体过热爆炸
各种内孔形状的药柱,实际上是用燃料棒作为一部分隔热层。药柱局部先烧穿,会导致火焰接触药柱外壁的辅助隔热层,然后壳体过热失去强度,发动机爆炸。
3. 发动机工作不正常,推力上升过慢,或者喘燃。
推进剂的燃速和压强的关系,一般可以用维也里燃烧速度公式来表示。燃速r=a*p^n。当压强p比较小时,燃速r也很小(常压开放燃烧效果与推进剂性能的关系不大)
RAP,APCP等AP系列复合推进剂,都有低压燃速不足,难以燃烧的特点。这可能是有利于安全性,但是也会导致发动机不能简单的通过明火引燃药柱来启动。
点火药的重要作用之一,除了产生高温引燃燃料,还要产生足够多的气体将燃烧室压强升高到正常工作值,使得推进剂能够正常燃烧。
喘燃是因为:燃烧室压力在低压区振荡,无法自行达到足够高压力,无法使推进剂产生的压力和热量可以自行维持连续的燃烧。
点火药提供的初始压力峰,还可以大大缩短发动机启动的时间。令火箭出架前就加速到气动稳定起作用的速度。
如果加速太慢,火箭很可能速度只有1-5m/s,就离开了发射架。此时尾翼无法提供足够力矩,姿态无法稳定,就会出现偏离弹道,甚至是“横着飞”的现象。
在11年9月,理论预研已经证明了以上问题是致命的,而且必须解决的。但在整个YT-4项目中并没有进行解决。
直到YT-4项目(2012.1-2013.5)赞助款耗尽,仍然没有得到解决,研制的50RNX、50RAP、75RNX、110RNX发动机有大量隐患,无法安全工作。
以上的原因,造成了YT-3发动机爆炸事故,12年九江年会的火箭发射事故,YT-4发射偏航,以及多次试验发动机爆炸事故。
为YT-5项目研制KC3025R发动机的过程中,在研制初期即设计了针对性的解决方案。
我们对专用的点火药包进行了7次开放点燃试验,对药柱进行了3次静态点火试验。
在发动机热试车和实际试飞,KC3025R性能良好,实测数据如下:
点火延迟 <20ms,推力上升时间(80%)<300ms,总冲600N*s,燃料质量0.63kg,比冲97s
YT-5在飞行试验时,使用的发射架长度4m,由惯性导航系统(KCNAV2C)测得的出架速度为26m/s,远超过气动稳定要求的15m/s速度。
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