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《航天返回與遙感雜志》2016年第6期

摘要：

文章以氣體發(fā)生器裝藥燃燒模型和多孔介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，針對兩種不同燃燒性能的產(chǎn)氣藥進行仿真計算，分析降溫劑孔隙率和排氣孔大小對燃燒室壓強的影響。結(jié)果表明排氣孔直徑對燃燒室壓強具有臨界值。當(dāng)直徑大于臨界值時，燃燒室壓強幾乎不受排氣孔直徑影響，此時，降溫劑孔隙率大小對燃燒室壓強影響更大；當(dāng)排氣孔直徑小于臨界值時，燃燒室壓強受排氣孔直徑影響更大。文章研究的計算模型可推廣至所有氣體發(fā)生器的仿真計算，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和降溫劑的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：

氣體發(fā)生器；多孔介質(zhì)；降溫劑；排氣孔；航天器著陸

0引言

氣體發(fā)生器充氣技術(shù)開始于20世紀50年代，最早運用于海上救生筏、汽車安全氣囊等民用產(chǎn)品。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，熱氣源充氣技術(shù)開始應(yīng)用于航天器回收、探測器著陸緩沖等很多方面。美國早在20世紀90年代就成功地將該技術(shù)應(yīng)用于火星探測器著陸氣囊的充氣過程[1-5]。目前，我國陸續(xù)開展的深空探測計劃的一些重大科技專項，如嫦娥工程、火星探測、載人登月工程計劃等任務(wù)，為回收與著陸技術(shù)的發(fā)展提供了新的機遇。無論是返回地球還是著陸于火星、月球或者其他星球，作為星球表面軟著陸技術(shù)的支撐，熱氣源氣囊充氣技術(shù)都將在深空探測中得到廣泛應(yīng)用，因此，對熱氣源氣囊充氣技術(shù)開展詳細、深入的研究顯得非常迫切和必要。熱氣源氣體發(fā)生器是利用火藥燃燒產(chǎn)生大量的高溫氣體，經(jīng)降溫和過濾處理后，充入氣囊使其達到額定壓力的充氣裝置，通過氣囊著陸時的緩沖功能，實現(xiàn)航天器的軟著陸。為高溫氣體進行降溫的顆粒狀降溫劑堆積可形成多孔介質(zhì)。關(guān)于多孔介質(zhì)理論最早是從沙土內(nèi)流體的滲流開始，多用于地下水的勘探和預(yù)測[6]。在20世紀30年代，由于石油開采業(yè)的迅速崛起，加速了多孔介質(zhì)理論的全面發(fā)展。隨后，許多學(xué)者對多孔物料的干燥原理進行了深入研究，使多孔介質(zhì)理論在能源、化工、冶金和核工業(yè)等領(lǐng)域中大量應(yīng)用，多孔介質(zhì)理論因此得到更為細化和深入發(fā)展[7-9]。本文研究的氣體發(fā)生器采用的顆粒狀降溫劑堆積形成的降溫通道和多孔介質(zhì)類似，因此，首次引入多孔介質(zhì)理論計算分析降溫劑參數(shù)對氣體發(fā)生器燃燒室壓強動態(tài)變化的影響，實現(xiàn)氣體發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計。

1計算模型

1.1基本結(jié)構(gòu)

航天器緩沖氣囊需經(jīng)受深空極低溫度，完成著陸緩沖或結(jié)構(gòu)支撐等功能。極低的氣溫使氣囊的壓強隨溫度降低而減小，為了保持氣囊的壓強，要求氣體發(fā)生器的充氣時間長、燃氣含水量低；此外，航天器體積與質(zhì)量大，與之匹配的氣囊的體積也大，這就要求氣體發(fā)生器的產(chǎn)氣量要足夠大；為了保證高溫氣體長時間沖刷不損壞氣囊材料，需對燃氣進行降溫。因此，氣體發(fā)生器需滿足產(chǎn)氣量大、充氣時間長、燃氣含水量低（氣囊壓力變化小）、排出氣體溫度不損壞氣囊材料等要求。汽車安全氣囊氣體發(fā)生器由燃燒室和過濾網(wǎng)組成，裝藥瞬間燃燒充氣，過濾網(wǎng)對燃燒室壓強基本無影響。而深空探測氣體發(fā)生器為滿足上述要求，需設(shè)置燃燒室裝載大量產(chǎn)氣藥劑，還需設(shè)置降溫室裝載適量降溫劑對燃氣進行過濾降溫，排氣口用于調(diào)節(jié)燃燒室壓強以及向氣囊充氣。為了保證產(chǎn)氣藥劑穩(wěn)定燃燒不發(fā)生爆燃，需在燃燒充氣過程中保證燃燒室壓強穩(wěn)定，而降溫劑和排氣口對燃氣的阻流作用對燃燒室的壓強具有較大的影響，因此，下文將對降溫劑和排氣口的影響展開分析計算。建立降溫室和排氣口的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，在降溫劑通道內(nèi)，由降溫劑顆粒的孔隙組成了一段多孔介質(zhì)通道，高溫氣體在流經(jīng)降溫劑時，受到孔隙表面（降溫劑顆粒表面）對氣體的阻力以及流動通道的改變等因素的影響，氣體的壓強和流速都會發(fā)生改變。本文根據(jù)火藥燃燒基本理論建立燃燒室壓強的計算模型，以此模型結(jié)合多孔介質(zhì)基本理論，計算分析影響燃燒室壓強的主要設(shè)計參數(shù)。

1.2基本假設(shè)

降溫劑是由很多顆粒狀的物質(zhì)構(gòu)成的，這些顆粒構(gòu)成了具有一定孔隙率的多孔介質(zhì)部分，氣體流過降溫劑時，流阻變大，氣體流量變小。當(dāng)高溫氣體流經(jīng)降溫劑時，物理降溫劑通過熱傳導(dǎo)吸收熱量；化學(xué)降溫劑會吸收熱量發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使氣體溫度降低，并產(chǎn)生少量的氣體，使燃氣成分發(fā)生變化。同時，氣體的壓強、流速、流動狀態(tài)以及溫度在多孔介質(zhì)中都會發(fā)生復(fù)雜的變化。這些變化要通過數(shù)值方法精確地計算非常困難，為簡化設(shè)計，在計算降溫劑對氣體流量的影響時，作以下假設(shè)[8,10]：1）氣體常數(shù)在整個工作過程中為定值；2）在計算流經(jīng)降溫劑的氣體流量過程中，主要關(guān)注滲流的宏觀平均效果，不關(guān)注氣體在孔隙中的具體流動細節(jié)，并且忽略溫度變化對流量的影響；3）化學(xué)降溫劑在吸熱分解反應(yīng)過程中，往往會產(chǎn)生部分氣體，并且本身會吸收水蒸氣或者產(chǎn)生少量水。在計算過程中，忽略降溫劑對氣體成分的影響；4）降溫劑中的孔隙空間是相互連通的，不連通或死端孔隙視為固體部分。

1.3燃燒室壓強計算模型

燃燒室的壓強會隨著裝藥燃燒產(chǎn)氣和氣體排出而動態(tài)變化，同時，燃燒室壓強會對裝藥燃燒產(chǎn)生影響[11-12]。由實際氣體狀態(tài)方程來表示燃燒室內(nèi)的溫度、壓力和體積關(guān)系：2gP+v=RTv（1）0g=RRM（2）式中P為氣體壓強；ν為火藥燃氣比容，指單位質(zhì)量的火藥燃燒生產(chǎn)的氣體物質(zhì)在標(biāo)準狀態(tài)下所占的體積（水為氣態(tài)）；α為火藥燃氣余容，近似等于火藥燃氣比容的1‰；Rg為1kg火藥氣體常數(shù)；T為氣體溫度；R0為摩爾氣體常數(shù)（R0=8.314J/（molK）；M為氣體摩爾質(zhì)量（kg/mol）；β/v2項考慮了分子間作用力所作的修正，由于火藥氣體溫度很高，分子間引力相對很小，因此，此項可以忽略不計，簡化為Noble-Abel方程：gPVw=wRT（3）式中w為氣體質(zhì)量；V為容腔自由容積。在絕熱條件下，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，同時令燃燒室的自由容積V1=V–wα。由式（3）可得11bg1PV=mGRT（4）式中P1為燃燒室壓強；mb為火藥燃燒產(chǎn)氣量；G為從降溫劑通道流出的氣體質(zhì)量，可通過1.4節(jié)的多孔介質(zhì)理論計算得到；T1為燃燒室氣體溫度。對式（4）微分得1b11g1bg11d1dddd=dddddPmGTVRTmGRPtVtttt（5）式中bddmt表示單位時間的產(chǎn)氣量，bbpd=dmArt，其中r為燃速，1=nraP，a為火藥燃燒的速度系數(shù)，n為壓強指數(shù)；V1=V10+Abrt–Abrρptα+Gα，其中ρp為火藥密度，Ab為燃面，V10為燃燒室初始自由容積。

1.4多孔介質(zhì)基本理論

多孔介質(zhì)是由多相物質(zhì)所占據(jù)的共同空間，可以把它分為很多小的體積，每個小體積中都包含固體和流體，其中固體部分稱為骨架，充滿流體（氣體和液體）的部分稱為“孔隙”，流體運動過程中受到孔隙壁的阻流作用和分流作用，對流體流量具有較大影響[13-14]。流體流經(jīng)多孔介質(zhì)的流率受多孔介質(zhì)眾多參數(shù)的影響，但主要的影響參數(shù)是多孔介質(zhì)的孔隙率和滲透系數(shù)。（1）孔隙率孔隙率是多孔材料的基本結(jié)構(gòu)參量，直接影響著多孔介質(zhì)內(nèi)流體容量。孔隙率ε是多孔介質(zhì)的一種宏觀描述，為多孔介質(zhì)孔隙空間體積Vv和總體積Vb之比[15]。vbsbb==VVVVV（6）式中VV為多孔介質(zhì)孔隙空間體積；Vs為多孔介質(zhì)固體顆粒體積；Vb為多孔介質(zhì)總體積。（2）滲透系數(shù)滲透系數(shù)K是一個代表多孔介質(zhì)滲透性強弱的定量指標(biāo)，也是流量計算中必須要考慮的基本參數(shù)。多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)反映了流體流動過程中的流動阻力特性。根據(jù)堆積床中的經(jīng)驗公式得[9,15]23s2=1501dK（7）式中K為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)；ds為固體顆粒直徑。多孔介質(zhì)中流動阻力為粘性阻力和慣性阻力之和[8]，即F2=+PCuuLKK（8）式中CF為慣性阻力修正系數(shù)，由劉學(xué)強推薦的CF計算方法[16-17]，CF=1.5Re–0.2ε–0.2，其中Re為孔隙有效雷諾數(shù)，s2=31udRe；L為降溫劑通道長度；為燃氣動力粘度；為氣體密度；u為氣體流速。聯(lián)立式（7）、（8），可以得到不同時刻的流速u，從而得到對應(yīng)不同時刻降溫劑的滲流流量為G=uAt（9）式中A為降溫劑通道橫截面積。忽略氣體在流動過程中的密度變化。

2仿真分析及驗證

2.1降溫劑參數(shù)對燃燒室壓強的影響

通過式（8）分析，氣體流速u和通道兩端壓差∆P、滲透系數(shù)K成正比，和降溫通道長度L成反比。由式（7）看出，滲透系數(shù)K與降溫劑的直徑ds和孔隙率有關(guān)。在圖1所示的降溫室模型基礎(chǔ)上，計算分析不同參數(shù)對氣體質(zhì)量流率的影響。在仿真計算幾個主要參數(shù)對氣體流量的影響時，每次計算取一個參數(shù)變化，其他參數(shù)不變?nèi)〕跏贾怠?shù)初始值和變化范圍如表1所示。分別改變降溫通道長度L和孔隙率如表1所示。計算結(jié)果見圖2、圖3。如圖2所示，氣體流量受降溫劑通道長度影響較大，通道越長，氣體需要通過的孔隙路路徑越長，受到的流動阻力作用越大，導(dǎo)致氣體的流速不斷減小，從而導(dǎo)致流量減小。燃燒室裝藥不斷燃燒產(chǎn)生氣體，若流出氣體量太小，使燃燒室壓強不斷增大，甚至可能引起裝藥不穩(wěn)定燃燒，導(dǎo)致危險。圖3中，氣體流量和降溫劑孔隙率的的大小基本呈反比關(guān)系，孔隙率越大，氣體在降溫劑橫截面上流動的空間就越大，受到的阻力越小，進而使氣體流量增大。氣體流量過大，使燃燒室壓強不斷降低，導(dǎo)致裝藥熄火。因此，在工程設(shè)計中，需要平衡降溫劑通道長度和孔隙率的關(guān)系。降溫劑通道長度主要與降溫劑的質(zhì)量和降溫通道橫截面有關(guān)，易于調(diào)整。

2.2降溫劑和排氣孔對燃燒室壓強的調(diào)節(jié)作用

在氣體發(fā)生器的研制和仿真計算過程中，發(fā)現(xiàn)降溫劑結(jié)構(gòu)參數(shù)和排氣孔面積都會對氣體流量產(chǎn)生影響，從而影響燃燒室壓強。建立氣體發(fā)生器燃燒充氣過程的數(shù)學(xué)模型并仿真，在此模型基礎(chǔ)上針對兩種不同燃燒性能的裝藥，通過改變降溫劑孔隙率和排氣孔直徑大小，計算燃燒室壓強的變化。

2.2.1壓強敏感型產(chǎn)氣藥劑

煙火藥是氣體發(fā)生器目前常用的產(chǎn)氣藥劑，該藥劑燃速受燃燒室壓強影響較大，在標(biāo)準大氣壓下也可穩(wěn)定燃燒。因此，為了防止裝藥爆燃，可通過增大排氣孔面積和降溫劑孔隙率來降低燃燒室壓強。假設(shè)藥柱燃速為r=4.2×(P/(1.05×105))0.49mm/s，在計算過程中改變降溫劑孔隙率和排氣孔直徑，計算結(jié)果如表2所示。由表2的計算結(jié)果可以看出：1）孔隙率為0.25時，排氣孔直徑臨界值為8mm，當(dāng)排氣孔直徑大于臨界值時改變排氣孔直徑對燃燒室壓強影響很小，此時，降溫劑起主要的阻流作用；當(dāng)排氣孔直徑小于臨界值時，燃燒室壓強隨排氣孔直徑的減小明顯增大，此時，排氣孔直徑越小對氣體阻流作用越大；2）分別比較孔隙率為0.25和0.20的計算結(jié)果，表明孔隙率的大小對裝藥的燃燒和燃燒室的壓強影響更為明顯；當(dāng)排氣孔直徑較大時，調(diào)節(jié)孔隙率的大小對氣體質(zhì)量流量的影響更大，降溫劑起到主要的阻流作用；3）對于壓強敏感型藥劑，僅僅增大排氣孔直徑是不能達到降低燃燒室壓強的目的，需要同時增大降溫劑顆粒大小，并通過該計算模型仿真計算找到孔隙率和排氣孔大小間的關(guān)系。

2.2.2壓強鈍感型藥劑

推進劑是目前常用的產(chǎn)氣藥，此類藥劑燃速穩(wěn)定，受燃燒室壓強影響較小，同時穩(wěn)定燃燒壓強較高。為了使裝藥穩(wěn)定燃燒，需要保持燃燒室壓強達到5~10MPa。對于裝藥藥型一定的氣體發(fā)生器，在計算過程中改變排氣孔直徑，尋找排氣孔直徑臨界值，同時更改孔隙率大小，計算孔隙率改變對燃燒室壓強的影響。計算結(jié)果如表3所示。由表3的計算結(jié)果可以看出：1）當(dāng)降溫劑孔隙率保持0.05不變，改變排氣孔直徑，發(fā)現(xiàn)排氣孔直徑的臨界值為2mm，當(dāng)排氣孔直徑大于2mm時，增大排氣孔直徑對燃燒室壓強影響不大，此時主要是降溫劑對氣流起到阻流作用；2）保持排氣孔直徑為2mm，改變降溫劑孔隙率為0.08和0.10，燃燒室的壓強迅速降低，孔隙率改變對壓強影響較大，可見在排氣孔直徑大于臨界值時，應(yīng)通過調(diào)節(jié)降溫劑孔隙率來調(diào)節(jié)燃燒室壓強；3）對于壓強鈍感型藥劑，可將節(jié)流孔設(shè)計在燃燒室和降溫室之間，讓節(jié)流孔起到關(guān)鍵的調(diào)壓作用，降溫劑的影響仍可通過多孔介質(zhì)理論進行仿真計算。

2.2.3試驗驗證

根據(jù)壓強鈍感型藥劑的仿真計算結(jié)果，選取表4的設(shè)計參數(shù)制造氣體發(fā)生器樣機，通過試驗測試燃燒室壓強，驗證仿真模型的準確性，計算結(jié)果和仿真結(jié)果對比如表4所示。經(jīng)對比，氣體發(fā)生器樣機試驗和仿真計算結(jié)果接近，表明模型正確有效。計算模型的一些簡化對計算精度的影響，可通過反復(fù)試驗積累數(shù)據(jù)，對仿真模型中的經(jīng)驗系數(shù)進行修正；降溫劑的實際有效孔隙率和設(shè)計孔隙率的偏差，導(dǎo)致仿真結(jié)果和試驗結(jié)果有少量偏差，可采取工程手段先測量不同直徑和形狀降溫劑的堆積孔隙率，然后修改仿真計算的參數(shù)，計算預(yù)測燃燒室壓強是否滿足要求。

3結(jié)束語

本文針對航天著陸器緩沖氣囊氣體發(fā)生器的深空環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計了相應(yīng)的氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，建立了燃燒室裝藥燃燒產(chǎn)氣模型，采用多孔介質(zhì)理論計算降溫室降溫劑對燃氣的阻流作用。在此計算模型基礎(chǔ)上，通過對兩種不同燃燒性能藥劑的燃燒室壓強進行計算，分析排氣孔直徑和降溫劑孔隙率對燃燒室壓強的影響。結(jié)果表明兩種參數(shù)共同影響燃燒室壓強，是串聯(lián)的關(guān)系，燃燒室壓強受較嚴苛的參數(shù)影響更為明顯。氣體發(fā)生器樣機的試驗驗證結(jié)果表明，本文建立的模型計算精度較高，該仿真模型可用于深空探測用氣體發(fā)生器工程輔助設(shè)計，初步確定設(shè)計參數(shù)，再輔以試驗數(shù)據(jù)進行設(shè)計修正，可減少試驗次數(shù)，降低研制成本。后續(xù)，該計算模型還需進一步優(yōu)化，以提高計算精度。

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作者:張麗梅 高致 單位:北京空間機電研究所