用于火箭发动机水下试验的消波装置
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摘 要：本文在压力水筒中研究了用于火箭发动机水下试验的消波装置。消波装置由整流格栅、消波堤和回流挡板组成，能够降低火箭发动机水下喷流对试验环境和性能测试精度的影响。
关键词：火箭发动机；水下试验；消波装置
1引言
火箭发动机能在短距离内获得高速，并且能在很深的水下工作，可用于火箭助飞深水炸弹、潜射导弹、超空泡鱼雷等快速攻击武器，是一种有效的水下武器[1] 。火箭发动机具有结构简单、隐蔽性强、机动能力好、和可靠性高的技术特点，经常用作潜射导弹的一级动力。
与地面工作的火箭发动机相比，水下工作的火箭发动机工作环境更加复杂，发动机点火启动特性、工作性能等都有显著的不同。水下试验是考核火箭发动机性能的重要途径。目前，科研性质的小尺寸火箭发动机试验多在压力釜中进行，中大尺寸火箭发动机的水下试验往往在真实水下环境中进行，试验周期长、耗资巨大。大型压力水筒作为气体加压式水下試验台，更适合中小型火箭发动机进行水下试验的技术研究和型号研制。
压力水筒作为水下试验台，通过气体加压方式控制筒内水面的压力，从而模拟固定火箭发动机的工作水深。由于压力水筒的尺寸和空间有限，筒内水环境深度较小，火箭发动机试车时产生的高温燃气从喷管高速喷出，对筒内水环境的流场造成较大影响。由于水是不可压流体，高温燃气喷流在有限空间内迅速传播，冲击筒壁后形成反射，进一步加剧了对发动机试车环境和性能测试精度的影响。
本文设计了一种用于火箭发动机水下试验的消波装置，可以削弱发动机水下试验时的水流浪涌和回流，保证水下试验环境和性能测试精度。
2 试验条件
火箭发动机的水下试验在压力水筒中进行，该压力水筒长10m，内部直径3m，水筒的尾部设置均压舱隔板，将水筒分为两部分，以增加筒内的空气体积，降低发动机工作过程中水面压力增幅。
压力水筒的工作压力0.6MPa（表压），极限最高工作压力1.0MPa，可以模拟水深60m、最大推力2t的火箭发动机水下试验条件，具备采集发动机主推力的能力，开展水下发动机推进原理研究。
3 研究对象
消波装置布置在压力水筒内腔的尾部，由整流格栅、消波堤和回流挡板三个部件组成。整流格栅成V字形结构并正对发动机尾喷口，开口的角度大于90°，V形的左右整流面为开孔板，能够将尾喷口喷射形成的水浪向两侧导流。消波堤布置在高处并部分露出水面，同样成V字形结构并指向发动机尾喷口，开口的角度小于90°，V形的上下消波面为开孔板，能够削弱水面的波浪强度。回流挡板对称设置在压力水筒内壁上，在发动机尾喷口与整流格栅之间形成通道，并且防止水流从两侧回流。
4 文献调研
通过调研孔板消波作用的相关研究成果，本文明确了孔板倾角、开孔率等参数对反射、透射和消波系数的影响，从而对消波装置的具体参数进行设计。
在消波堤方面，张洪雨等[2] 对多层变孔径倾斜孔板组成的消波装置进行了试验研究，总结了孔板倾角、间距等参数对反射、透射和消波系数的影响，试验表明多层孔板倾角为30°和45°时，消波装置的消波效果得到了明显的提升，尤其是30°时，试验范围内，消波效果达到最佳。这归因于倾斜30°放置的多层孔板不仅能够消除波浪在水平方向的动能，而且能极大地消除其在竖直方向的势能，从而达到更好的消波效。王国玉[3] 等对多层孔板组成的透空式防波堤结构进行了试验研究，结了孔板开孔率等参数对对波浪反射系数、透射系数的影响，发现在开孔率为 20%和30% 时，其对波浪的反射系数较小。
在回流挡板方面，汪宏等[4] 对双层开孔直立式板结构的消波板进行了试验研究，总结不同开孔形式在规则波作用下的透射系数，发现透射系数随着开孔率的增大而增大，并且对于波长较大的波浪时，透射系数变化更大（开孔率分别为 4.6%、18.3%和32.1%）。
5 设计参数
整流格栅为穿孔板结构，V字形结构开口角度确定为120°，轴向跨距650mm，横向跨距2000mm，高1500mm。格栅的开孔直径为50mm、孔间距为93mm，厚度为20mm，以应对高速水流的冲击强度。整流格栅通过螺栓固定在压力水筒的底座上，并通过方钢管焊接在均压舱隔板上。
消波堤的结构形式为透空式倾斜平板，与水平面的倾斜角为30°，轴向跨距600mm，横向跨距2000mm，高1500mm。消波堤的开孔率约为30%，开孔直径为50mm，孔间距为85mm。消波堤焊接在均压舱隔板上，上下两层钢板成V型以增大支撑强度。
回流挡板透空式直立平板，分立在压力水筒两侧，宽700mm，高1000mm，厚度10mm。开孔率为30%，挡板的开孔率约为30%，开孔直径为50mm，孔间距为85mm。回流挡板通过螺栓固定在压力水筒的底座和斜撑上。
消波装置的材质均采用304不锈钢，以应对水下试验的材料锈蚀问题。
参考文献：
[1] 潘哲，王宝寿，宋志平.火箭发动机水下分离特性试验研究[J].船舶力学，2004（4）：22-26.
[2] 张洪雨，张鑫.多层变孔径倾斜孔板式消波装置的试验研究[J].应用科技，2015，42（04）：74-80.
[3] 王国玉，赵唯佼，项竹青，et al.开孔倾斜平板消波效果试验研究 [J].水利水电科技进展，2017（1）：22-26，83.
[4] 汪宏，沈丽玉，王勇，et al.双层开孔直立式板结构的消波性能试验[J].水运工程，2011（2）：21-25.
（作者单位：中航工程集成设备有限公司）
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