戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)研究＊

易 磊，寇軍強(qiáng)，李衛(wèi)鵬，鄧 恒，陳敏芳

（中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

0 引言

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)推進(jìn)劑和裝藥設(shè)計(jì)進(jìn)行原理性試驗(yàn)和地面靜止、飛行試驗(yàn)，以檢測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑的性能指標(biāo)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)是造成不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的主要問(wèn)題之一。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)包括點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火藥包、點(diǎn)火頭、噴管密封結(jié)構(gòu)等。根據(jù)不同的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)通過(guò)不同條件的試驗(yàn)方法確定最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)主裝藥點(diǎn)燃工作參數(shù)，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火工作瞬間會(huì)經(jīng)受瞬態(tài)振動(dòng)，這些瞬態(tài)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生能量很高的沖擊，構(gòu)成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)損傷。為了找出點(diǎn)火過(guò)載產(chǎn)生的原因及其大小的影響因素，文中在發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、推進(jìn)劑設(shè)計(jì)一定的條件下，分別就不同點(diǎn)火藥量、不同點(diǎn)火頭、不同點(diǎn)火藥粒度進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)分析，測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火壓強(qiáng)及過(guò)載的大小，對(duì)沖擊響應(yīng)頻譜進(jìn)行分析，從而找出發(fā)動(dòng)機(jī)滿足可靠點(diǎn)火時(shí)的最小過(guò)載狀態(tài)，為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火的安全、可靠性提供了最佳參數(shù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

點(diǎn)火沖擊是產(chǎn)生過(guò)載的直接原因，在點(diǎn)火瞬間點(diǎn)火藥產(chǎn)生大量高溫燃?xì)鉀_擊在裝藥表面，使裝藥及發(fā)動(dòng)機(jī)殼體產(chǎn)生震動(dòng)。本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試不同點(diǎn)火過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)殼體過(guò)載的大小，對(duì)過(guò)載的影響因素進(jìn)行分析，基本驗(yàn)證了不同點(diǎn)火狀態(tài)下的沖擊過(guò)載情況。

1.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)所研制的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1所示，裝藥結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為與真實(shí)裝藥大小相同，采用不易燃燒材料的假藥柱，以盡可能的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的真實(shí)狀態(tài)。分別選擇不同狀態(tài)的點(diǎn)火頭、點(diǎn)火藥量以及點(diǎn)火藥粒度，確定了多種不同的試驗(yàn)條件。

測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭圓弧頂點(diǎn)處為測(cè)壓處，振動(dòng)傳感器固定在發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭殼體上，其上分布3個(gè)傳感器，分別測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)方向的沖擊加速度過(guò)載。

圖1 測(cè)試用發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)試裝置

1.2 試驗(yàn)方法

1）在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火頭類型、點(diǎn)火藥粒度一定的條件下，根據(jù)試驗(yàn)要求，只改變點(diǎn)火藥量，分別進(jìn)行多次重復(fù)性試驗(yàn)，具體見(jiàn)表1。

表1 不同點(diǎn)火藥量的試驗(yàn)

測(cè)量點(diǎn)火壓強(qiáng)大小，測(cè)量點(diǎn)火過(guò)載響應(yīng)試驗(yàn)曲線。將試驗(yàn)曲線處理出最大壓力值、三向過(guò)載大小等結(jié)果。

2）在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火藥量一定的條件下，選擇兩種不同的點(diǎn)火頭JA3和DD8進(jìn)行多次試驗(yàn)，具體見(jiàn)表2。

表2 不同點(diǎn)火頭的試驗(yàn)

測(cè)量點(diǎn)火噴管打開(kāi)壓力值大小，測(cè)量點(diǎn)火過(guò)載響應(yīng)試驗(yàn)曲線。對(duì)兩種狀態(tài)下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3）在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火頭、點(diǎn)火藥量一定的條件下，選擇兩種不同的點(diǎn)火藥粒度進(jìn)行多次試驗(yàn)，具體見(jiàn)表3。

表3 不同點(diǎn)火粒度的試驗(yàn)

其中，試驗(yàn)37～42是與試驗(yàn)19～24作比較，試驗(yàn)43～48是與試驗(yàn)25～30作比較。

測(cè)量點(diǎn)火噴管打開(kāi)壓力值大小，測(cè)量點(diǎn)火過(guò)載響應(yīng)試驗(yàn)曲線。對(duì)幾種狀態(tài)下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)共分為8種狀態(tài)共計(jì)48次試驗(yàn)，按照試驗(yàn)編號(hào)，分別對(duì)每個(gè)試驗(yàn)曲線進(jìn)行處理分析，得出各狀態(tài)的過(guò)載均值及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部最大壓強(qiáng)均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

由于試驗(yàn)數(shù)目較多，文中分別取出各種狀態(tài)下的典型FFT圖進(jìn)行分析，具體見(jiàn)圖2～圖9。

表4 各狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 JA3，4g2＃小黑＋7g高能

圖4 JA3，10g2＃小黑＋10g高能

圖5 DD8，4g2＃小黑＋4g高能

圖6 DD8，4g2＃小黑＋7g高能

圖7 DD8，10g2＃小黑＋10g高能

圖8 DD8，4g1＃小黑＋4g高能

圖9 DD8，4g3＃大黑＋7g高能

2.1 不同點(diǎn)火藥量

總體來(lái)看在點(diǎn)火頭相同、點(diǎn)火藥粒度也相同的情況下，隨著黑火藥和高能點(diǎn)火藥量的增加，過(guò)載逐漸增大，最大點(diǎn)火壓強(qiáng)也逐漸升高。即使只增加高能點(diǎn)火藥，過(guò)載和最大壓強(qiáng)也會(huì)隨之增加。

2.2 不同點(diǎn)火頭

在點(diǎn)火藥量相同、點(diǎn)火藥粒度也相同的情況下，對(duì)比圖2與圖5、圖3與圖6、圖4與圖7可以看出，JA3和DD8兩種點(diǎn)火頭在點(diǎn)火沖擊方面的差異不明顯。

2.3 不同點(diǎn)火藥粒度

在點(diǎn)火頭和點(diǎn)火藥量相同的情況下，對(duì)比圖5與圖8、圖6與圖9可以看出，點(diǎn)火藥粒度越大時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊過(guò)載也越大，相應(yīng)的最大點(diǎn)火壓強(qiáng)也較大。

從頻譜分析圖上可以看出，X向過(guò)載＞Y向過(guò)載＞Z向過(guò)載，X向振動(dòng)最大振幅基本處于250～400 Hz之間。為了將點(diǎn)火頭和點(diǎn)火藥包分開(kāi)考慮，特分析了具有明顯雙峰特征的工況，從X向頻譜分析結(jié)果看，點(diǎn)火沖擊過(guò)載主要來(lái)自點(diǎn)火藥包，如果點(diǎn)火頭起爆瞬間過(guò)載過(guò)大，此時(shí)點(diǎn)火頭一般在高頻段具有較大振幅；20 Hz附近的大振幅振動(dòng)主要來(lái)自于點(diǎn)火藥包，結(jié)合頻譜圖的其它信息，判斷點(diǎn)火藥包引起的振動(dòng)主要在低頻段。

3 結(jié)論

文中通過(guò)正確合理的選擇固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)研究，最終的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：點(diǎn)火沖擊過(guò)載主要來(lái)自點(diǎn)火藥包，在點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)不變的情況下，隨著點(diǎn)火藥量的增加，點(diǎn)火沖擊過(guò)載也隨著增大；在點(diǎn)火藥量不變的情況下，隨著黑火藥粒度的增加，點(diǎn)火沖擊也隨著增加；JA3和DD8兩種鈍感點(diǎn)火頭對(duì)點(diǎn)火沖擊過(guò)載的影響不大，所以在保證可靠點(diǎn)火的情況下，盡可能采用小點(diǎn)火藥量和小粒度點(diǎn)火藥的點(diǎn)火方案，可以減小點(diǎn)火沖擊過(guò)載。

［1］ 王元有.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

［2］ 王翠榮，施廣富，郭軍.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊信號(hào)響應(yīng)譜分析［J］.固體火箭技術(shù)，2003，26（2）：57－60.

［3］ 張訓(xùn)文，崔進(jìn)起，王麗萍.固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制技術(shù)研究［C］／／中國(guó)宇航學(xué)會(huì)固體火箭推進(jìn)專業(yè)委員會(huì)第二十六屆年會(huì)論文集.長(zhǎng)沙：中國(guó)宇航學(xué)會(huì)，2009：1－4.