液氧∕煤油发动机起动箱仿真与试验研究

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1、第4l卷第3期2015年6月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSl0NV01．41．№．3Jun．2015液氧／煤油发动机起动箱仿真与试验研究黄其殷，王幸果，刘上，李妙婷(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：起动箱是保证液氧／煤油发动机可靠起动的重要组件。针对起动箱结构特点，采用胶囊材料Mooney—Revlin本构关系，建立起动箱三维模型，分析起动箱动作特性。仿真结果再现了起动箱工作过程，获得胶囊翻转压力为58kPa。抽真空试验和计算表明，胶囊压力为50～60kPa时起动箱胶囊可自动复位，仿

2、真结果与试验结果基本吻合。关键词：液氧／煤油发动机；起动箱；工作特性中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2015)03—0021—06SimulationandteststudyonstartingboxofLOX／kerosenerocketengineHUANGQi—yin，WANGXing—guo，LIUShang，LIMiao—ting(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abstract：Thestarting

3、boxisanimportantcomponentforthestableandreliablestartingofLOX／kerosenerocketengine．TheoperationalcharacteristicsofthestartingboxareanalyzedbyMooney—Revlinmodelofbladdermaterialand3Dmodelofthestartingbox．Theoperationalprocessofthestartingboxwasreoccurredbymeansofs

4、imulationresult．Thereversingpressure(58kPa)oftherobberbladderwasobtained．Thevacuumtestandcalculationshowthatthebladderwillreturntoitsoriginalpositionautomaticallyunderthepressureof50-60kPa．Thepredictedvaluesareagreewiththemeasuredones．Keywords：LOX／kerosenerockete

5、ngine；startingbox；operationalcharacteristic0引言起动箱是推进剂供应系统的挤压一隔离装置。发动机在起动前，起动箱液腔内填充满煤油；点火时刻，高压气体通过气腔作用在胶囊上，使胶囊翻转，将不含气体的煤油供人发动机起动系统㈣。地面试车时，在煤油加注前，需在起动箱气腔人口连接软管，对其充气挤压胶囊，使其反转，将液腔体积降至最小(操作过程简称起动箱复位，此时胶囊位置状态简称复位状态)，然后随发动机燃料系统一起进行抽真空，真空度满足收稿日期：2014—12—03；修回日期：2015—01—2

6、2基金项目：国家863项目(2012AA702302)作者简介：黄其殷(1983一)，男，硕士，工程师，研究领域为液体火箭发动机总体设计22火箭推进2015年6月要求后填充煤油。由于火箭内空间有限，操作不便，因此，为取消起动箱复位、简化发射流程，研究胶囊复位机理就显得非常必要。1起动箱结构组成及工作状态起动箱结构如图1所示，主要由球壳、接管嘴、管路及胶囊等组成；胶囊将内腔分隔为液腔和气腔，隔离两种介质。图1所示胶囊位置处于复位状态。起动箱在发动机上装配时，气腔气体入口连通大气，通过煤油入口燃料充填单向阀小孔抽真空，液腔真

7、空度达到要求值2．7kPa时，胶囊两侧压差一般不小于90kPa。如取消起动箱复位操作，需确认起动箱胶囊能否自动翻转至复位状态。7i腔7i仆入／3图1起动箱结构图Fig．1Configurationofstartingbox2材料试验与建模2．1橡胶控制方程橡胶为超弹性材料，最大伸长量可达400％甚至1000％，应变一应力关系具有很强的非线性特征，因此除非在小应变范围，一般不采用公称材料定义杨式模量。在分析超弹性材料时一般采用应变能函数来描述其本构关系。本文采用Mooney—Rivilin本构方程定义橡胶本构方程。Rivi

8、lin理论假设材料不可压缩且在变形前是各向同性，应变能函数时应变不变量的函数，即W=W(o厶，厶)(1)式中：2，l=Al+A2+A3，2=A1A2+A2A3+A3A】(2)，3=AlA2A3其中，A．，A，，A，为主伸长率。由于材料不可压缩，因此第三不变量为零。橡胶Mooney—Rivilin本构方程为W=C。(，