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地面等效喷管及其应用 湖北航天科授幕l南 地面等效喷管及其应用 三江航天集团设计所姚洪方.√?f 摘要提出了地面等效喷管的概念,建立起地面等效喷管模型,并引入面积比因子和推 力因子描述高空喷管同地面等效喷管的扩散段造型和特性关系从理论上探讨了利用地面常 规试验替代方案调整性高空模拟试验的可能性,对高空喷管设计和研制有重要现实意义 主题词篮堡型建立句茸机 符号说明下标 —— 喷管面积比日——设计高度 P——喷管前室压力h——变高度 P——喷管出口静压0——试验点海拔高度 —— 环境大气压 k——喷管工质比热比 F一喷管推力 A——喷管喉面积 c——喷管推力系数 c——喷管设计点推力系数 1前言 根据试验对理想设计喷管作修正是公认的最佳喷管设计方法. 无论高空唼管本身的研制或采用高空唼管动力装置的研制,大量反复的方案性和调整性 试验是不可避免的.检测高空喷管的工作特性,最理想的办法莫过于在设计点上建立高空试车 台,但至少目前技术水平难以实现.通常是将喷管置于真空度近似设计点高空大气压力的高空 模拟试验室中进行试验,其代价往往是相当高昂的.若用实际高空喷管在地面条件下试验,常 因发生流动分离现象使试验失去意义.高空喷管的设计出口截面压力一般是很低的,由Sum metfield准则,对半锥角a=l5锥型喷管,当P/Plt;o.4时出口截面就出现分离点,对大型 火箭的非特型喷管,在P/P一0.286时即产生气流分离.这就意味着设计高度9～1Okm的喷 管在地面工作就会出现分离现象,而且伴随气流沿喷管壁面的分离还会有激波发生.压力比 P/P越小,分离点和激波位置越趋近喉部.造成的推力损失越严重.倘若能设计出一种地面 喷管,在普通试验室条件下进行常规试验.然后将所得结果经过必要地转换就可得到高空喷管 工作时的对应特性参数值,那无疑是十分方便和经济的.本文旨在从理论上阐述这种地面喷管 的设计和应用.我们把这种地面喷管定名为高空喷管的地面等效喷管,或简称为地面等效喷 l0 l994丰湖北航天科技第1期 管. 2建立地面等效喷管模型 已知,拉瓦尔喷管理论面积比由下式表示: (2^-】1V~ ? 1 e=——================= √k--1[一( 一 般是根据气流充分膨胀条件来设计喷管扩散段?所以不管高空喷管还是地面喷管t其 出口截面的气流静压力总是同喷管设计点的环境大气压力相等的设高空喷管的设计高度为 H,则有P一P代入(1)式可得到该高空喷管的理论设计面积比为: (南iP,)}eH一—============== √k1[1一(一u,尸(2) 现在我们设想将该高空喷管扩散段的长度逐步截短,也就是使其面积比逐步减小,那么对 于任一个减小了的e值对应有一个降低了的高度点^,或者说对应得到了一个出口截面静压 力增大的新低空设计喷管.当一直截短至使喷管出口截面静压恰好等于地面试验条件下的大 气压力时,我们就得到一个设计高度为试验点海拔高度的地面喷管为叙述和分析上的方便, 我们近似设令试验点海拔高度为h=O,对应当的地大气压力为一尸口,代入(1)式得: (南)}e0一—_================ k+ 一 r lc1一 (PO_ , t-- ? 1~ J 这就是我们所得到的新地面喷管的理论面积比. 3等效喷管特性分析 (3) 那末,现在的问题是,这个新的地面喷管同原来那个高空喷管具有怎样的特性关系呢?为 回答这个问题我们必须对喷管推力参量做一番分析 喷管在任何高度工作时,其推力可由一般节流特性式表示为: F—CeAP,(4) 一 11— 湖北航天科技第1斯 对一个给定的喷管,A,,P为恒值.因而唯一代表推力特性参数的只有推力系数c. 喷管在非设计状态下工作时.推力系数由下式表示; c=c)(5) 由(1)式可知一喷管的理论面积比￡是出口截面静压力Pe的一元单值函数+也就是说峨管 随变高度工作时保证气流充分膨胀的条件应是理论面积比e与P有一一对应的关系,我们把 这种关系叫做喷管对工作高度的匹配性,把其面积比同某高度点匹配的喷管叫做该高度^的 匹配喷管任何高度的匹配喷管其出口截面静压P,必等于该高度的当地大气压力P.于是由 (3)式可得: (6) 该式表明,某…高度的匹配喷管在该高度上工作时其推力系数就是它的设计点推力系数. 任何喷管当然就是它的设计点上的匹配喷管于是.对于设计点为H的高空喷管有: 丽对于设计点为0的地面喷管有 C.一C南 门) (8) 现在要研究C与C南之间的关系.为方便起见我们不妨把设计点为H的高空喷管取名 为H喷管,把设计高度取为试验点的地面喷管取名为0喷管. 喷管设计点上推力系数的一般表达式为; = 磊雨(9) 由(9)式看出给定P值,喷管设计点推力系数同它设计高度上的大气压力也是一一对应 的因而,对H喷管可写为