軟隔板雙脈沖發(fā)動機二級點火延遲試驗分析

曹熙煒 任軍學 王長輝 劉 宇

（北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191）

軟隔板雙脈沖發(fā)動機二級點火延遲試驗分析

曹熙煒 任軍學 王長輝 劉 宇

（北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191）

在進行軟隔板雙脈沖發(fā)動機的試驗研究時發(fā)現(xiàn)，二級脈沖出現(xiàn)遠遠超過指標要求的點火延遲.為了改進這種狀況，從點火藥量和隔板厚度兩方面進行試驗研究.結果表明單純增加點火藥量使得隔板破裂太快，能量過早地釋放;而單純增加隔板厚度使得隔板不能按預定位置和方式破裂，影響工作性能.最終結合軟隔板雙脈沖發(fā)動機的工作特點，從兩方面同時改進，達到了比較合理的點火延遲.

軟隔板;雙脈沖發(fā)動機;點火延遲;點火藥量;隔板厚度

雙脈沖發(fā)動機相比其它固體發(fā)動機，具有增加射程、增大末端速度和機動性等優(yōu)勢［1－2］.國外已經(jīng)有具體的型號使用雙脈沖發(fā)動機［3－6］，國內(nèi)在最近幾年也取得突破進展［7］.常見的雙脈沖發(fā)動機多為隔板式，即在同一燃燒室內(nèi)用阻燃隔熱層將推進劑裝藥分段隔離，每段裝藥有獨立點火系統(tǒng).當段藥柱燃盡時，發(fā)動機關機.根據(jù)導彈飛行速度及與目標間的距離，由自動控制系統(tǒng)確定下段裝藥點火時間，使有限質量的推進劑能按最佳飛行彈道要求通過間歇方式釋放，實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機的能量管理［8］.隔板式雙脈沖發(fā)動機包括硬隔板和軟隔板兩種，在進行軟隔板方案的試驗研究過程中發(fā)現(xiàn)，一級脈沖的點火延遲約為100 ms，二級脈沖點火延遲則達到了3～4 s.為了改進這種狀況，從點火藥量和隔板厚度兩方面進行試驗研究，最終取得了比較合理的結果，為工程上的應用解決了一個比較實際的問題.

1 軟隔板發(fā)動機簡介

1.1 結構參數(shù)

圖1是發(fā)動機的結構圖，給出了試驗發(fā)動機的基本結構組成，主要由雙脈沖藥柱、燃燒室殼體組件、噴管組件、第二脈沖片狀點火器、第二脈沖點火線接頭以及測壓管嘴組成.第二脈沖點火線接頭將點火線引出而不使燃氣泄漏.

發(fā)動機殼體材料為不銹鋼;噴管選用鎢滲銅，可以作為可重復部件多次使用;裝藥采用雙基推進劑，藥柱采用自由裝填方式;在絕熱層方面，燃燒室采用玻璃鋼、噴管部分采用高硅氧材料.

圖1 軟隔板雙脈沖發(fā)動機示意圖

1.2 軟 隔 板

軟隔板的材料為不飽和聚酯或硅橡膠，在第一脈沖工作時，隔板主要承受熱載荷.在隔板設計時，主要注意以下4點:①要起到有效的熱防護作用，在第一脈沖工作時防止熱量過多地傳遞到第二級脈沖這一側，避免使該側溫度過度上升，從而點燃二級點火藥;②在第二級脈沖工作時隔板要及時合理地破裂，一是隔板破裂的范圍要遠遠大于噴管喉部面積，二是隔板的碎片不要堵到噴管;③隔板的破裂強度小于隔板的粘接強度;④隔板的厚度和點火藥量的對應關系.

1.3 第二脈沖片狀點火器

第二脈沖片狀點火器的結構如圖2所示，主要由推進劑片1、推進劑片2、點火藥包和點火線組成，2個推進劑片采用改性雙基推進劑.推進劑片1、推進劑片2之間形成空腔，空腔內(nèi)裝有黑火藥，黑火藥用藥包包住，并埋入發(fā)火管，將點火線從前端如圖1所示的二級脈沖點火接頭引出.

圖2 第二脈沖片狀點火器

2 試驗分析

2.1 問題引出

圖3是二級脈沖起動時的壓強時間曲線.可見，從點火指令發(fā)出到點火藥片被點燃經(jīng)歷了約4 s，即點火延遲約為4 s，這比工程上對點火延遲的要求值要大很多.

分析其中的原因，主要有以下幾點:①隔板在點火藥產(chǎn)生壓強的作用下已經(jīng)破裂，點火藥產(chǎn)生的能量被急劇釋放，只有部分能量傳遞到藥片表面;②黑火藥的熱值比較低，燃燒釋放的能量比較少;③小粒黑的燃面比較大，燃速很快，能量釋放的時間很短.

圖3 二級脈沖起動時的壓強時間曲線

2.2 解決方法

為了改進點火延遲，從以下方法考慮:①增加點火藥量，加大能量的釋放［9］;②增加隔板厚度，延長點火藥急劇釋放的時間;③更換能量特性更好的點火藥.鑒于試驗條件的局限性，目前只采用了前面的2種方法.

2.2.1 增加點火藥量（方案1）

圖4為增加點火藥量而不改變隔板厚度的二級脈沖壓強曲線.從圖中可以看出，點火延遲并沒有減小，而且增大到了約20 s，這跟預想的結果差別很大.試驗后分析原因，主要是增加了黑火藥以后，點火壓強增大，加快了隔板的破裂，使黑火藥產(chǎn)生的能量更快地被釋放.這一點和普通的點火有些差別，不能完全照搬那些辦法.另外，軟隔板二級脈沖點火空間很小，點火藥量增加量有限，相對于一級脈沖留下的自由容積來講，點火藥的增量根本起不到應有的效果，反而會使隔板破裂更為容易，能量釋放更為快捷，從而起到反作用.

圖4 方案1二級脈沖點火壓強曲線

2.2.2 增加隔板厚度（方案2）

在增加隔板厚度后，二級點火延遲有所改善，但隔板的破裂效果不理想.圖5所示為隔板在二級點火后的破裂照片，從中可以看出，隔板在點火藥壓強的作用下并沒有按照預定的方式破裂，而是隔板在中間出現(xiàn)一道裂縫，且隔板整體和假藥柱脫離，這說明隔板周邊的粘接強度小于隔板的破壞強度.

圖5 方案2隔板破裂照片

試驗結果表明，如果僅從減小點火延遲上考慮，增加隔板厚度，提高了建壓壓強，可起到減小點火延遲的效果;但此時破裂后的隔板會嚴重堵塞噴管，造成壓強震蕩，二級脈沖工作不可靠［10］.

2.2.3 點火藥量和隔板厚度綜合改進（方案3）

根據(jù)上述經(jīng)驗，從點火藥量和隔板厚度2方面綜合考慮.一方面增加點火藥量，但主要增加對點火能量貢獻比較大、對壓強貢獻比較小的聚四氟乙烯或鎂粉，這2種組分燃燒產(chǎn)生的產(chǎn)物70%以上是固相;另一方面增加隔板厚度，但保證隔板的破裂強度要小于隔板和包覆層之間的粘接強度，防止隔板整體脫落.

圖6為改進后的二級脈沖壓強曲線圖，從圖中可以清楚地看出點火延遲很短，約40 ms.圖7為方案3隔板破裂照片，可以看出隔板是從中間破裂，并沒有整體脫落，比方案2有明顯改善.

圖6 方案3二級脈沖點火壓強曲線

圖7 方案3隔板破裂照片

3 結論

針對軟隔板雙脈沖發(fā)動機二級脈沖出現(xiàn)的點火延遲問題，提出了幾種改進方案.從各自的效果可以得出:①和普通發(fā)動機不同，單純地增加點火藥量并不能起到好的效果;②單純地增加隔板厚度可以改善點火延遲，但同時帶來隔板破裂方式不合理導致堵塞噴管的問題;③增加隔板厚度，同時增加能量特性好、壓強貢獻小的組分對點火延遲的改進比較明顯，且隔板破裂較合理.

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Testing of ignition delay of second pulse of soft-clapboard dual-pulse motor

Cao XiweiRen Junxue Wang Changhui Liu Yu
（School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

When doing the experiment of soft-clapboard dual-pulse motor，the delay time of the second pulse ignition was found exceeding the requirement.In order to improve the status，the experiments in terms of the quantity of ignition powder and the thickness of the soft-clapboard were carried out.The results show that increasing the ignition powder will promote the rupture of the clapboard and the release of the energy，and increasing clapboard thickness will not rupture the clapboard hopefully，and decrease the performance of motor.At last，according to the characteristic of the soft-clapboard dual-pulse motor，improving from the above two terms，the motor ignition can attain a good condition.

soft-clapboard;dual-pulse motor;ignition delay time;mass of ignitionpowder;clapboard thickness

V 435.23

A

1001-5965（2012）02-0244-03

2010-11-03;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間:

時間:2012-02-21 11:47;

CNKI:11-2625/V.20120221.1147.024

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120221.1147.024.html

曹熙煒（1984－），男，山東聊城人，博士生，panpancxw.student@sina.com.

（編 輯:文麗芳）