航天器火工作动装置流固耦合过程的数值研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:水龙

  航天器上配备的火工作动装置用于完成关键程序动作与任务,具有很高的可靠性与安全性要求。针对复杂结构火工作动装置的工作过程,建立非线性流固耦合动力学模型,在推力与拉力负载两种工况下,采用有限体积法、有限元法进行数值计算,得到火工作动装置工作过程中流场变化规律与输出性能。数值模拟结果表明,航天器火工作动装置流固耦合过程的数值分析能够模拟其工作过程,火工作动装置的负载对输出性能有较大影响。

  引言

  航天器入轨后始终运行在真空环境中,通常配备有多个火工作动装置,以完成关键程序动作与任务。火工作动装置以装药燃烧产生的高温高压气体作为驱动源,将化学能转化为机械能并输出线性作动力。在实际工程应用中,对火工作动装置具有很高的可靠性与安全性要求,且需要考虑到火工冲击对航天器结构的影响。火工作动装置的设计主要依赖工程经验,一般研制程序为经验/半经验设计-大量试验-改进设计。由于火工作动装置关键参数的微调能对输出性能产生巨大影响[2],实际研制过程中总是需要进行大量试验与反复修改设计,导致研制周期长、成本高。另一方面,由于火工作动装置的体积较小、工作时间极短(毫秒级),对其工作过程性能的全面测试有较大困难。因此,为了提高火工作动装置的设计水平、缩短研制周期、降低研制成本、全面而准确获得其工作过程性能,对火工作动装置工作过程进行数值模拟是十分必要的。

  20世纪50年代末,美国、俄罗斯就开始在航天器上采用各种火工装置,已积累了丰富的工程经验,并进行了一定的相关理论研究。1993年,Kuo等[3]分析了由NASA 标准电起爆器驱动拔销器的动态特性,分别采用C语音、MESA-2D代码程序建立了两个理论分析模型,分析结果能与试验数据更好地吻合。此后,Goldstein等采用NASA-2D和DYNA 3D软件对拔销器和电爆阀门的工作过程进行了动力学仿真分析,为结构受力和变形的研究提供了依据。1994年,Gonthier 等[5-6]以NASA 标准电起爆器驱动的拔销器为研究对象,采用LSODE标准程序对所建立的理论模型进行求解计算,对该拔销器火药(Zr/KClO4)燃烧过程、活塞运动过程进行了分析。美国的一些专业火工装置生产厂也开发了自己的性能分析和模拟手段,如Scot公司能够对火药燃烧过程、分离作动过程、温度、压力等进行计算机模拟仿真,并进行设计优化。

  南京理工大学的王涛等基于经典内弹道和气体动力学理论,建立了二级活塞式抛放弹射机构的理论模型,采用Godnov差分格式对该弹射机构的工作过程进行了数值模拟计算,分析了不同参数对其弹射效果的影响。高滨基于经典内弹道理论,建立了火工作动装置的性能计算模型,利用性能仿真模型对一种弹射装置进行了分析,计算结果与试验结果基本吻合。北京理工大学的叶耀坤等对一种用于高速导弹分离系统的楔块式火工解锁螺栓动作过程建立了内弹道模型,并利用MATLAB/Simulink进行了仿真计算,可以反映该火工解锁螺栓的分离运动特性。综上所述,火工作动装置的仿真分析模型关注火药的燃烧过程,采用牛顿第二定律描述活塞的运动过程,均没有考虑火工作动装置工作过程中的非线性流固耦合等本质特性。

  针对火工作动装置工作过程中的非定常、高速可压缩高温高压气体与活塞之间的非线性流固耦合问题,以伸长型火工作动装置为研究对象,引入任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法描述流场控制方程,建立火工作动装置工作过程的流固耦合系统动力学模型。在不同负载工况条件下,结合有限体积法与有限元法进行求解计算,获得火工作动装置的流场变化规律、活塞运动位移和速度等输出性能。

  1、流固耦合系统动力学模型的建立

  火工作动装置燃烧室内火药燃烧产生的高温高压气体流经腔室后作用于活塞,活塞克服负载开始运动,输出满足要求的推力,如图1所示。火工作动装置的工作过程是一个复杂的物理、化学变化过程,工作时间极短,涉及到高温高压气体的超音速流动、几何非线性(活塞的大位移运动)、状态非线性(筒壁与活塞的接触)、流固热多场耦合等重要问题,这是一个强瞬时性、强非线性和强耦合的复杂系统。对火工作动装置工作过程性能的数值模拟实质就是非线性流固热耦合系统动力学建模及其求解问题。

火工作动装置工作原理图

图1 火工作动装置工作原理图

1. 燃烧室;2. 节流孔;3. 腔室;4. 活塞

  4、结论

  以复杂结构火工作动装置为研究对象,引入任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述方法,建立了火工作动装置工作过程的非线性流固耦合动力学模型,采用有限体积法、有限元法进行了数值计算。计算结果表明:

  (1)采用有限体积法、有限元法对火工作动装置的工作过程进行数值模拟是有效的,理论模型表征了火工作动装置工作过程的非线性流固耦合本质特征,通过求解计算得到了其流场变化规律与输出性能;

  (2)火工作动装置在推力、拉力两种负载工况下,其输出性能基本保持一致,具有较强的负载自适应性;

  (3)由于火工作动装置的体积较小,工作时间极短,工作过程中腔室空间内各点压力变化规律一致,可以认为腔室空间内各点压力是瞬时平衡的;

  (4)火工作动装置活塞运动到位时,会对筒体产生较大冲击,进而对火工作动装置及其周围结构产生影响。因此,需要考虑采取相应的缓冲措施。

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