（一）高压水射流工艺参数的安全性评价与工艺参数的优化

本书着重分析寻求安全条件下的工艺参数。通过高压水射流作用于特定尺寸推进剂产生的水锤压力与其临界起爆压力进行比较，可以判断出其在SDT过程的安全性；利用DSC和5 s延滞期爆发点的测试得到滞止压力作用下的临界温度，通过监控推进剂内部温升来实现对LALDS过程中热起爆的安全评价。有针对性地对影响推进剂安全和切割效果的重要参数——出口压力进行合理选择，兼顾靶距、流量、切割时间等因素，为建立高压水射流冲击推进剂的安全体系提供理论依据。

由于切割试验对推进剂具有破坏性，不可能在现役武器装备上开展。因此，有必要设计开发一种适合于实验室的试验装置用于模拟报废固体发动机的“清药”过程，即利用试验装置产生的高压水射流对与弹上报废“装药”同等规格的小尺寸推进剂方坯进行冲击以获得相关数据。试验装置研制的主要内容包含高压发生装置、试验平台和监控系统的选型与设计，还包括不同规格推进剂方坯的预制，以及内部温度传感器的埋植和测试点位的分布等。通过正交试验来完成水射流工艺参数的优化，得到出口压力、靶距、喷嘴直径和单次切割时间单因素条件对切割效果和温升变化的影响。模拟试验得到的结果将对高压水射流安全处理发动机装药提供最直接的理论依据，可以直接或稍加修正应用于以后的工程实践中，达到降低危险和节约成本的目的。在后续处理中，本书对切割过程产生的废弃推进剂和AP废水进行了含能组分含量的测定，为无害化处理提供技术支持。

（二）磨料水射流工艺参数的安全性评价与工艺参数的优化

磨料水射流对推进剂的冲击切割效果集中体现在冲击作用力上，其影响因素概括起来主要有水力参数、射流参数、被切割件特性，此外还有空化作用的影响，而且这些因素相互制约。在确定推进剂特性和忽略空化作用的前提下，能进行优化处理的只有水力参数和射流参数。水力参数主要包括射流的出口压力、流量、喷射速度及功率等；射流参数主要包括初始段长度、靶距等。初步确定影响切割效果和安全性的水射流工艺参数，为建立安全条件下水射流工艺条件与切割效果之间的联系和工艺参数的优化提供了理论支持。

1.出口压力的选择

出口压力的选择既要保证对推进剂的有效切割，又要兼顾过程的安全性，因此它是水射流参数选取的首要条件。有效切割以20℃的推进剂的抗压强度作为材料的破坏依据，使其产生明显破坏的最低出口压力。考虑到安全方面，在开始的试验中，应尽量将出口压力调整在范围为50～70 MPa的低比能下工作，并计算对应的其他工艺参数，如表1.4所示。而最高出口压力的选择应根据作业的要求和能耗的标准来确定，一般定义在140 MPa，否则对推进剂的作用效果将发生改变。在确定压力区间后，分析冲击过程中的安全性可知，此压力区间产生的水锤压力在SDT过程中的危险性不大，几乎可以忽略。但是LALDS过程对压力的选择比较苛刻，即使在最低出口压力的条件下，也要对切割过程进行实时的温度监控，防止推进剂内部温度达到或超过临界温度，以确保最大程度的安全。

表1.4　不同出口压力对应的水力参数

2.其他水力参数的选择

1）流量与出口压力的关系

处理推进剂的高压水射流的压力较低，属于传统意义上的清洗范畴，这意味着处理过程必须注重速度和流量的综合作用，即在保证射流冲击力的前提下，获得较大的冲击面积。流量主要体现在切割速度的快慢，在同样的压力下，流量大意味着传递的能量更多，切割进度更快。因此，系统的压力和流量的合理选择与匹配至关重要，在一定压力下流量的表达式：

式中：Q为特定压力下的流量，单位为L/min；P 0为出口水压，单位为MPa；d n为喷嘴直径，单位为mm；η为喷射效率，对喷枪喷嘴取1.05～1.10，对柔性喷杆取1.20～1.30，其中n为喷嘴个数。

在工程应用中，喷枪（喷头）中的宝石喷嘴通常选用10#，其直径为0.25 mm。假定出水射流速度不变，当出口压力为60 MPa时，试验期间选用单喷头（n=1），此时的流量约为0.82 L/min，如果选择3喷头（n=3），流量约为2.5 L/min；当出口压力为200 MPa时，试验期间选用单喷头和3喷头的流量分别约为1.5 L/min和4.5 L/min。

2）功率与出口压力的关系

当功率一定时，压力与流量的乘积为一定值，三者的关系表达式为

式中：W为泵的有效功率，单位为k W；P 0为水射流的出口水压，单位为MPa；Q为特定压力下的流量，单位为L/min。(www.daowen.com)

当喷嘴直径为0.25 mm，在60～200 MPa的出口压力范围内，功率的变化范围为2.5～15 k W。在实验室阶段可以基本满足启动电压和最大功率的要求。

3.射流参数的确定

射流的基本参数包括射流初始段长度及最佳靶距，而影响水射流的结构特性的主要参数是射流压力、射流初始段的雷诺数及喷嘴的加工精度和内表面粗糙度等。

1）初始段长度

由于试验选择非淹没连续型高压水射流，在一定压力范围内，水射流的结构在沿射流可分为紧密段、核心段、破裂段、水滴段四个阶段。在垂直于轴心的截面上，滞止压力与流速自最大值迅速减至边界上的最小值，如图1.7所示。紧密段紧靠喷嘴出口，在一定距离内形成了一个锥形的等速流核心区。该区域内射流的滞止压力、流速及密度基本保持不变，随压力的增加该区域有逐渐缩短的趋势。紧密段结束端面至等速流核心区消失的截面的一段射流为射流核心段。核心段射流的核心部分仍保持初始喷射速度，呈紧密状态。由出口端面至核心段结束的阶段称为初始段，切割工作主要在初始段内完成。

图1.7　高压水射流的几个主要阶段

苏联学者根据大量试验数据总结出计算初始段长度l f的经验公式（其中：雷诺数中A、B的选择，如表1.5所示）：

式中：l f为射流初始段长度，单位为mm；d为喷嘴出口直径，单位为mm；A为经验系数，取决于喷嘴的加工精度和内表面粗糙度；B为经验系数，主要取决于雷诺数；Re为射流初始段雷诺数；υ为射流出口速度，单位为m/s；ν为水流运动黏度，单位为m2/s。

表1.5　A、B的经验系数

已知喷嘴出口直径为0.25 mm，水流运动黏度为1.2×10-6 m2/s，当出口压力为60 MPa时，此时的初始段长度为15.62 mm，符合d的变化范围（53～106 mm）。

2）最佳靶距

射流的冲击力不但与射流的压力、流量有关，而且与射流的靶距有直接关系。通常将射流对表面的冲击力最大时的靶距称为最佳靶距。在最佳靶距时，喷射能获得最大打击力，可充分利用射流能量。最佳靶距不仅与出口压力有关，还与喷嘴直径d 0.9成正比关系。经过试验研究针形喷嘴射流的打击力，得到最佳靶距与射流基本参数间的经验关系式如下。

式中：l opt为最佳靶距，单位为mm；P 0为出口压力，单位为MPa；d为喷嘴直径，单位为mm。

合理选择射流靶距，可以提高打击能量。通过计算，当出口压力为60 MPa时，得到的最佳靶距为19.79 mm；当出口压力为200 MPa时，得到的最佳靶距为46.32 mm。