固體導(dǎo)彈噴出物分析查證及改進(jìn)措施

武曉龍，薛慶增，韓 峰

（海軍駐沈陽(yáng)導(dǎo)彈專(zhuān)業(yè)軍事代表室，沈陽(yáng) 110043）

某機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，助推器及主發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，工作過(guò)程中及工作后不分離。在該導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)中，試驗(yàn)過(guò)程正常，但試后先后發(fā)現(xiàn)載機(jī)導(dǎo)發(fā)架上有凹坑、載機(jī)風(fēng)擋玻璃上有輕微劃痕等影響載機(jī)安全的現(xiàn)象。經(jīng)分析初步認(rèn)為是助推器內(nèi)固體噴出物造成。[1-5]

1 噴出物分析

根據(jù)助推器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（參見(jiàn)圖1），在助推器工作中，可能從噴管中噴出的固體物主要有：噴管堵塞、擋藥板碎塊、支撐條、碎藥塊、熱防護(hù)碎塊和點(diǎn)火具殘?jiān)?。以下?duì)此進(jìn)行逐一分析：

圖1 原狀態(tài)助推器結(jié)構(gòu)示意圖

1）噴管堵塞（堵塞材料為輕質(zhì)易碎材料）。根據(jù)該型導(dǎo)彈的發(fā)射方式可知，在助推器點(diǎn)火瞬間堵塞即飛出，此時(shí)導(dǎo)彈在導(dǎo)發(fā)架上尚未產(chǎn)生位移，堵塞無(wú)法打到導(dǎo)發(fā)架或風(fēng)擋玻璃。因此，堵塞造成載機(jī)損傷的可能性可以排除。

2）擋藥板碎塊。擋藥板具有良好的抗燒蝕、抗沖刷性能和承載強(qiáng)度。在以往歷次試驗(yàn)后的殘骸分解中，擋藥板均無(wú)掉塊破損現(xiàn)象，且若擋藥板在工作過(guò)程中被破壞，助推器就無(wú)法正常工作。因此，擋藥板產(chǎn)生碎塊的可能性也可以排除。

3）裝藥支撐條。裝藥支撐條在助推器點(diǎn)火后瞬間即可完全燒融，不易產(chǎn)生殘?jiān)?。因此，這一因素也可以排除。

4）碎藥塊。助推器裝藥藥型強(qiáng)度較高，具有較好的機(jī)械性能，不易碎裂。在歷次地面試驗(yàn)中均未發(fā)現(xiàn)有推力拖尾及碎藥塊飛出。且若助推裝藥在工作中破裂，出現(xiàn)碎藥塊，助推器亦不能正常工作。因此，該因素也可以排除。

5）熱防護(hù)碎塊。熱防護(hù)材料為柔性耐燒蝕材料，韌性較高，不會(huì)產(chǎn)生斷裂和碎塊。在助推器工作中，逐層碳化并產(chǎn)生積炭，積炭密度強(qiáng)度很低，且當(dāng)助推器工作至后期碳化層才會(huì)呈小片狀吹出，不會(huì)對(duì)載機(jī)產(chǎn)生危害。因此，該因素也可排除。

6）點(diǎn)火具殘?jiān)?。點(diǎn)火具工作時(shí)，鈍感電點(diǎn)火頭首先發(fā)火，點(diǎn)燃火藥產(chǎn)生高溫燃?xì)猓M(jìn)而點(diǎn)燃裝藥。點(diǎn)火具中火藥及殼體均可燃盡且無(wú)殘?jiān)?。但鈍感電點(diǎn)火頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)中均有陶瓷電極塞。陶瓷電極塞耐燒蝕性能良好，在助推裝藥產(chǎn)生的高溫中無(wú)法短時(shí)間燒蝕，理論上存在由噴管飛出的可能。

通過(guò)以上分析，某導(dǎo)彈固體噴出物造成載機(jī)損傷的故障機(jī)理可作如下表述。

2 故障機(jī)理及查證試驗(yàn)

助推器點(diǎn)火，在助推器裝藥燃燒工作后極短瞬間（＜1 s）內(nèi)，鈍感電點(diǎn)火具內(nèi)部電極塞尚未燒蝕，電極塞向后運(yùn)動(dòng)并從噴管飛出，造成載機(jī)損傷（此時(shí)助推器噴管出口位置恰好移動(dòng)至導(dǎo)發(fā)架前端附近位置）。

為驗(yàn)證助推器噴出物情況，首先進(jìn)行了單助推器噴出物查證試驗(yàn)。參考GJB 357《空—空導(dǎo)彈最低安全要求》，試驗(yàn)條件設(shè)置：在距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口9 m處，放置一塊與水平面成60°角、4 m×4 m的方形聚丙烯平板，以此平板接受?chē)姵鑫镒骱罄m(xù)查證分析。

該臺(tái)試驗(yàn)，助推器安裝正常，測(cè)量系統(tǒng)工作正常，點(diǎn)火順利。助推器結(jié)構(gòu)完整，性能合格。但由于對(duì)助推器尾流強(qiáng)度估計(jì)不足，在助推器開(kāi)始工作瞬間，安放聚丙烯平板的焊接結(jié)構(gòu)鋼鐵支架整體被吹倒解體，平板破裂，但仍能在方形聚丙烯平板發(fā)現(xiàn)7個(gè)不同大小的孔。

分析可知，噴出物由堵塞、積炭、點(diǎn)火頭中的電極塞組成，在點(diǎn)火瞬間堵塞被打開(kāi)，去除從形狀及細(xì)節(jié)特征上可判定為堵塞造成的孔洞外，圖2中兩小孔（圓圈內(nèi)）無(wú)法判定是由破碎的堵塞還是由點(diǎn)火具電極塞造成，不排除電極塞飛出在擋板打出孔洞的可能。因此，須對(duì)助推器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以排除電極塞飛出損傷載機(jī)這一隱患。

圖2 原狀態(tài)單助推器噴出物試驗(yàn)擋板攔截噴出物效果圖

3 改進(jìn)措施

為防止電極塞噴出，在助推器支撐組件后端加上一個(gè)留有燃?xì)馔ǖ赖目装?，確保點(diǎn)火頭中的電極塞在助推器工作前期不會(huì)隨燃?xì)鈴膰姽苤袊姵??？装褰M件由不銹鋼孔板為骨架，兩面壓制柔性耐燒蝕材料。

加裝孔板組件后，助推器結(jié)構(gòu)如圖3所示：該孔板組件安放在點(diǎn)火具和裝藥之間，軸向由裝藥和支撐組件固定。助推器點(diǎn)火后，工作前期裝藥軸向無(wú)變化，孔板組件不會(huì)向噴管方向移動(dòng)，確保電極塞不能飛出。且孔板組件兩面均有柔性耐燒蝕材料進(jìn)行保護(hù)，不易被高溫燃?xì)鉄g。同時(shí)，助推器燃燒室頭部燃?xì)饬鲃?dòng)緩慢，換熱不嚴(yán)重，可保證孔板組件在助推器工作過(guò)程中結(jié)構(gòu)完整，達(dá)到攔阻電極塞的功用。

圖3 加裝孔板組件后助推器結(jié)構(gòu)示意圖

加裝孔板組件后，計(jì)劃再進(jìn)行助推器噴出物試驗(yàn)，由理論分析，試驗(yàn)可能出現(xiàn)3種結(jié)果：① 試驗(yàn)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)助推器殘骸中找到電極塞；② 試后，在發(fā)動(dòng)機(jī)助推器殘骸中未能找到電極塞，但孔板組件完整、變形不嚴(yán)重；③ 試驗(yàn)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸中未能找到電極塞，且孔板組件不完整、變形嚴(yán)重。

若試驗(yàn)結(jié)果如①，則證明孔板組件起到了設(shè)計(jì)目標(biāo)和作用，采取的加裝孔板組件的措施有效；若試驗(yàn)結(jié)果如②，根據(jù)上述分析也可知，電極塞在助推器點(diǎn)火后，工作前期無(wú)法飛出，也可證明孔板組件能夠起到攔阻電極塞確保載機(jī)安全的作用；若試驗(yàn)結(jié)果如③，則說(shuō)明孔板組件無(wú)效。

4 改進(jìn)措施驗(yàn)證試驗(yàn)

后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，我們采取了一些改進(jìn)措施。它們分別是：

4.1 高溫驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)條件設(shè)置為：在距發(fā)動(dòng)機(jī)助推器噴口12 m處，放置一塊與水平面成60°角、4 m×4 m的方形聚丙烯平板，聚丙烯平板后10～25 mm 處垂直放置一塊相同尺寸的木板。參試助推器溫度為60℃，保溫48 h。該臺(tái)試驗(yàn)，助推器安裝正常，測(cè)量系統(tǒng)工作正常，點(diǎn)火順利。助推器結(jié)構(gòu)完整，性能合格。試后在方形聚丙烯平板上發(fā)現(xiàn)5個(gè)不同大小的孔（見(jiàn)圖4、5）。

孔1 至孔5，從形狀及細(xì)節(jié)特征上均可判定為由堵塞造成，同時(shí)，在平板后方也未發(fā)現(xiàn)電極塞噴出?，F(xiàn)場(chǎng)將助推器分解，孔板組件（見(jiàn)圖6）結(jié)構(gòu)完整，處于在長(zhǎng)尾管收斂段，位置未發(fā)生變化，在孔板組件上粘附有一顆比較大的Al2O3顆粒。檢查助推器內(nèi)的殘?jiān)?，發(fā)現(xiàn)有若干Al2O3小顆粒，但未找到點(diǎn)火具中的電極塞。

圖4 改進(jìn)后單助推器噴出物試驗(yàn)（高溫）擋板攔截噴出物效果圖（從左向右依次為孔1、孔2、孔3）

圖5 改進(jìn)后單助推器噴出物試驗(yàn)（高溫）擋板攔截噴出物效果圖（從左向右依次為孔4、孔5）

由于電極塞的熔點(diǎn)小于助推器高溫工作時(shí)的溫度，同時(shí)燃燒室內(nèi)部壓強(qiáng)較高，加之孔板的阻擋作用使其無(wú)法從燃燒室內(nèi)向后運(yùn)動(dòng)并由噴管飛出，在歷時(shí)2 s 左右的高溫高壓作用下，電極塞融化。電極塞主要成分為Al2O3，因此在孔板組件前端面，形成較大的Al2O3顆粒。此外，助推裝藥中含有1%的鋁粉，在其工作結(jié)束時(shí)，如燃燒不充分，也可在燃燒室內(nèi)部形成若干Al2O3小顆粒。

圖6 改進(jìn)后單助推器噴出物試驗(yàn)（高溫）孔板組件試后效果圖圈中為Al2O3顆粒

4.2 低溫驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)條件設(shè)置為：在距發(fā)動(dòng)機(jī)助推器噴口12 m處，放置一塊與水平面成60°角、6 m×4 m的方形聚丙烯平板，聚丙烯平板后10～25 mm 處垂直放置一塊同樣尺寸的木板,在聚丙烯平板外表面加一層50 mm的軟苯板，再在外表面用白布包裹，固定在鋼架上。

因已排除堵塞對(duì)載機(jī)影響，為防止助推器堵塞噴出打到平板，影響試驗(yàn)結(jié)果的判定，本次試驗(yàn)在助推器噴管上套上無(wú)堿玻璃布制作的布袋，該布袋用不銹鋼絲在距發(fā)射臺(tái)兩側(cè)固定。在助推器工作前將噴管的堵塞外表面涂抹紅色的硅橡膠膩?zhàn)印?/p>

參試助推器溫度為?30℃，保溫48 h。該臺(tái)試驗(yàn)，助推器安裝正常，測(cè)量系統(tǒng)工作正常，點(diǎn)火順利。助推器結(jié)構(gòu)完整，性能合格。試后在平板上發(fā)現(xiàn)3個(gè)小孔。見(jiàn)圖7（其中一孔因過(guò)小無(wú)法從照片中顯示）。

圖7 改進(jìn)后單助推器噴出物試驗(yàn)（低溫）擋板攔截噴出物效果圖

試后在方形聚丙烯平板上發(fā)現(xiàn)3個(gè)不同大小的孔，其中一孔白布表面劃傷，是地面石子被高速燃?xì)獯灯鹪斐?；另外兩個(gè)孔洞邊緣可見(jiàn)煙熏痕跡，將白布劃開(kāi)并局部取下苯板，發(fā)現(xiàn)苯板內(nèi)表面有燒蝕現(xiàn)象，并存在玻璃纖維的殘?jiān)蜕倭考t色硅橡膠膩?zhàn)?，可判定為堵塞袋的無(wú)堿玻璃布和尼龍繩燃燒殘?jiān)斐伞，F(xiàn)場(chǎng)分解助推器，孔板組件結(jié)構(gòu)完整，找到兩個(gè)電極塞殘?。ㄒ?jiàn)圖8），其中一個(gè)結(jié)構(gòu)完整，另一個(gè)有部分融化的痕跡。

圖8 改進(jìn)后單助推器噴出物試驗(yàn)（低溫）電極塞殘骸圖

與高溫驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)比，高溫試驗(yàn)兩電極塞均融化，低溫試驗(yàn)兩電極塞一個(gè)融化另一個(gè)基本完整，情況略有區(qū)別。經(jīng)分析，助推器高溫狀態(tài)比低溫狀態(tài)的裝藥燃溫、壓強(qiáng)均有一定程度提高。因此，對(duì)電極塞的融化能力，低溫試驗(yàn)弱于高溫試驗(yàn)，故本次低溫試驗(yàn)未能將電極塞完全融化，同時(shí)，由于燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度在不同部位略有差別，燃?xì)饬鲃?dòng)不完全均衡，所以?xún)蓚€(gè)電極塞一個(gè)局部融化，一個(gè)基本完整。

5 結(jié)論

高溫、低溫兩次改進(jìn)措施驗(yàn)證試驗(yàn)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)助推器后方擋板上，均未發(fā)現(xiàn)電極塞遺留痕跡，在助推器燃燒室內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)了電極塞或電極塞融化的痕跡；試后孔板組件完整、無(wú)變形，其自身不產(chǎn)生多余噴出物；經(jīng)高、低溫試驗(yàn)，助推器點(diǎn)火正常、工作正常、性能合格，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

以上試驗(yàn)證明：采取增加孔板組件措施是有效的，能夠可靠防止助推器點(diǎn)火具中的電極塞噴出，可保證導(dǎo)彈助推器工作時(shí)載機(jī)的安全。

[1]固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)[K].北京∶航天檔案館.1991.

[2]李宜敏.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京∶北京航空航天大學(xué)出版社,1991.

[3]劉興洲.飛航導(dǎo)彈動(dòng)力裝置[M].北京∶宇航出版社,1992.

[4]閔斌.防空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京∶宇航出版社,1993.

[5]沈世綿.飛航導(dǎo)彈材料[M].北京∶宇航出版社,1994.