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交变环境下药柱温度研究

姚东，夏长青，何景轩

（中国航天科技集团公司第四研究院第四十一研究所

燃烧、流动和热结构国家级重点实验室，西安，710025）

摘要：基于文献报道的固体发动机燃烧室模型和物理参数，研究了交变环境温度作用下药柱温度

的时滞与分布规律；针对大长径比药柱的温度规律，构造了基于有限元分析结果的等效温度算法。

结果表明，大长径比药柱温度的空间分布、时滞性均与径向位置相关，轴向差异不明显；等效温

度可以近似由肉厚中部偏外侧的特征点表征，其误差较小。

关键词：药柱，交变温度，温度时滞，等效温度

Abstract：BasedonreportedmodelofSolidRocketMotor(SRM)grainandcharacteristicdata,

thetime-lagandspatialstampsoftemperatureresponsesunderinerraticsurroundings.Arithmetic

forequivalenttemperatureisformulated,fortheusageongrainwithgraterL/R.Itisindicatedthat

bothtime-lagandspatialstampsoftemperaturedependonradiallocation,andequivalent

temperatureapproximatesaspecialpoint’sresponse.

Keywords:SRMgrain,inerraticsurroundings,time-lagoftemperature,equivalenttemperature

1概述

对贴壁浇注式固体火箭发动机药柱，药浆浇注完成后的降温、固化过程中,由于壳体、衬层/

绝热层、药柱热膨胀系数不同，热载荷会使得药柱内部产生热应变和热应力,从而可能引发药柱

内表面的裂纹,或使药柱、绝热层等的粘接面上产生局部脱粘。张建伟[1]研究了推进剂不可压缩

粘弹性本构方程及其有限元型式，丁永强[2]研究了温度载荷下材料参数对药柱结构完整性的影

响，史宏斌[3]用有限元法对含缺陷药柱的人工脱粘前缘进行了固化降温和轴向过载两种工况下的

应力分析；李贺[4]、夏长青[5]

等研究了降温载荷下药柱的非均匀温度场，并采用顺序耦合技术分

析了药柱应力应变的变化规律。

此外药柱温度随环境温度改变，对局部推进剂的燃烧性能会产生影响，进而影响发动机的内

[6]弹道性能。从公开报道的文献看，对该影响的研究较少。龚晓宏结合某发动机燃烧室的保低温

试验过程，探讨了药柱等效温度的计算，并考察了等效温度与环境温度的相关性。

本文结合燃烧室长期存放的环境特点，综合运用Abaqus/CAE与Matlab的数据传递与分析，研究了交变环境温度作用下药柱的温度时滞与空间分布，并探讨了等效温度的推导。

2计算模型、载荷及物理参数

计算模型为美国“不死鸟”（Phoenix）导弹用固体火箭发动机MK60，采用前段为圆柱和翼柱、

后段为圆柱的大长径比复合药型结构，推进剂为端羧基聚丁二烯(CTPB)。

图1MK60发动机发动机二维模型

发动机壳体始终暴露在空气中，主要散热方式表现为壳体和空气间的大空间自然对流换热。

发动机内部药柱表面及绝热层裸露部分和内部空间的换热也认为是大空间自然对流换热。考虑到低温条件下药柱表面易吸收空气中水分，建模时按理想存放要求：发动机前后开口均添加金属密

封以模拟实际产品的前顶盖和喷管堵盖。

药柱初温均匀，设为200C；单日环境温度T按正弦函数建模[6]，中值为250C。作用时

Ev

间为5d。

图2单日环境温度的变化图3观测点分布

计算采用表1的材料参数[5]

。

表1材料参数

材料参数推进剂绝热层壳体

导热系数[W/(m?K)]0.590.2927.63

比热容[J/(kg?K)]1256.12261512.91

密度(kg/m3)170012807850

3药柱温度时滞与分布

采用Abaqus/CAE传热分析功能，考察了图3所示5组观测点的温度变化。各组观察点定义

为set，Job提交运算前创建了相应的History输出请求。

图4、图5分别给出了第1组（内腔壁面）以及第5组（靠近壳体）的情况。两组观测点的

数据均表明，药柱温度在轴向分布存在较小的差异，但均随环境温度呈现周期性变化，且在第一

天内基本趋于稳定；最值点滞后，波动范围要小于环境温