固體火箭發(fā)動機(jī)橋絲點(diǎn)火系統(tǒng)失效分析

溫瑞珩，葉 瑋，鄭守鐸

(92941部隊92分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

固體火箭推進(jìn)技術(shù)在各類戰(zhàn)術(shù)火箭、導(dǎo)彈和炮彈武器中得到了廣泛應(yīng)用。目前正在服役的各類戰(zhàn)術(shù)火箭和導(dǎo)彈中，其動力裝置絕大多數(shù)是采用固體火箭發(fā)動機(jī)。而點(diǎn)火系統(tǒng)作為固體火箭發(fā)動機(jī)中一個重要部件，也是一個極易失效的部件。其作用是安全可靠地點(diǎn)燃固體火箭發(fā)動機(jī)主裝藥，使主裝藥按預(yù)定的方式和速度進(jìn)行燃燒，并滿足彈道性能的要求。通常點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火方式主要采用橋絲點(diǎn)火、激光點(diǎn)火和半導(dǎo)體橋點(diǎn)火等。激光點(diǎn)火技術(shù)于20世紀(jì)60年代開始研究，美國在80年代成功進(jìn)行了固體火箭發(fā)動機(jī)激光點(diǎn)火試驗(yàn)研究，國內(nèi)對此技術(shù)的應(yīng)用也開展了一些研究工作;半導(dǎo)體橋點(diǎn)火技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種點(diǎn)火技術(shù)，由于其具有的高安全可靠性、低發(fā)火能量等優(yōu)異特性，國內(nèi)外作了許多探索，并取得了一些研究成果;點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計合理與否、工作可靠與否，直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的成敗，甚至?xí)斐删薮蟮能娛潞徒?jīng)濟(jì)損失［1-2］。橋絲點(diǎn)火技術(shù)在國內(nèi)外固體火箭發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)上得到了廣泛的應(yīng)用。雖然該點(diǎn)火技術(shù)從理論到技術(shù)的可行性上都具有一定的成熟度，但在工程應(yīng)用中經(jīng)常由于各種原因產(chǎn)生實(shí)效。本研究針對固體火箭發(fā)動機(jī)廣泛采用的橋絲點(diǎn)火系統(tǒng)，分析和總結(jié)其在工程應(yīng)用中的典型失效模式及產(chǎn)生機(jī)理，提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 點(diǎn)火系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

1.1 點(diǎn)火系統(tǒng)的構(gòu)成

點(diǎn)火系統(tǒng)通常由電氣分系統(tǒng)、發(fā)火分系統(tǒng)、能量釋放分系統(tǒng)組成［3-5］。

電氣分系統(tǒng)一般由電池、功能組件、轉(zhuǎn)接插件、電纜組成，其功能是按照發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火時序?yàn)榘l(fā)火系統(tǒng)提供達(dá)到要求的點(diǎn)火電流，保證發(fā)火分系統(tǒng)可靠發(fā)火。

目前常用的發(fā)火分系統(tǒng)通常由電發(fā)火管、點(diǎn)火線路和發(fā)火管固定座等組成。其功能是在電氣分系統(tǒng)所提供的滿足要求的發(fā)火電流的作用下可靠發(fā)火，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)一步為能量釋放系統(tǒng)的點(diǎn)燃，提供足夠的點(diǎn)燃能量。

能量釋放分系統(tǒng)通常由點(diǎn)火藥(如煙火劑、黑火藥、聚四氟乙烯加鎂粉等)、結(jié)構(gòu)殼體等組成。其功能是點(diǎn)火藥在發(fā)火系統(tǒng)的作用下，迅速點(diǎn)燃，為發(fā)動機(jī)裝藥燃燒提供能量。

1.2 點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理

點(diǎn)火系統(tǒng)接受點(diǎn)火指令后，電氣分系統(tǒng)的電池激活，給供電總線加電，電氣分系統(tǒng)按照點(diǎn)火時序通過功能組件、轉(zhuǎn)接插件、電纜給發(fā)火系統(tǒng)供電，引爆電發(fā)火管，電發(fā)火管產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)一步點(diǎn)燃能量釋放系統(tǒng)的點(diǎn)火藥，點(diǎn)火藥所產(chǎn)生的更高能量的火焰噴射在發(fā)動機(jī)裝藥表面，點(diǎn)燃裝藥，從而使發(fā)動機(jī)迅速啟動并可靠工作。工作原理如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of engine ignition system

2 典型失效模式及機(jī)理

從發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的組成及工作原理分析，通常失效模式可分為電氣分系統(tǒng)失效、發(fā)火分系統(tǒng)失效及能量釋放分系統(tǒng)失效。任一失效模式都會造成發(fā)動機(jī)無法正常工作。

2.1 電氣分系統(tǒng)失效

電氣分系統(tǒng)失效是指電氣分系統(tǒng)無法正常給發(fā)火分系統(tǒng)供電，導(dǎo)致發(fā)火分系統(tǒng)不能點(diǎn)火，如圖2中曲線b所示(曲線a為正常信號)。

圖2 點(diǎn)火信號曲線圖Fig.2 Ignition signal curve

圖3為電氣分系統(tǒng)原理圖，從圖中可以看出，其失效模式主要為點(diǎn)火電池、功能組件、轉(zhuǎn)接插件及電纜的失效。

圖3 電氣分系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of electrical subsystem

1)點(diǎn)火電池失效。點(diǎn)火電池一般為熱電池，其工作機(jī)理是在激活電流的作用下，橋絲發(fā)熱激活電池，使其達(dá)到工作電壓，為發(fā)火分系統(tǒng)供電。失效模式通常為激活電流過大，導(dǎo)致橋絲在極短時間內(nèi)被熔斷，終止了加熱過程，產(chǎn)生的熱量過小，無法使電池正常激活。所產(chǎn)生的激活熱量可由式(1)計算得到。

式中，Q為橋絲加熱所產(chǎn)生的熱量，I為激活電流，R0為橋絲電阻，t為激活時間。

2)功能組件及轉(zhuǎn)接插件失效。從圖3可以看出，電氣分系統(tǒng)按照一定的時序，通過功能組件及轉(zhuǎn)接插件，將電加到發(fā)火系統(tǒng)使其發(fā)火。功能組件的失效模式通常為不能正常開閉，失效概率主要由組件的可靠性決定;而轉(zhuǎn)接插件的失效模式一般為插針損壞、接觸不良，通常是由于在安裝及測試中的非規(guī)范性操作所致。

3)電纜失效。在電氣分系統(tǒng)中存在著較多的電纜，由于其結(jié)構(gòu)、工藝簡單，可靠性高，失效往往被忽略。電纜失效模式主要為斷路和短路兩種情況，其中斷路情況發(fā)生的概率極低，主要是由于安裝過程中的非規(guī)范性操作所致，如拉扯等。而對于短路情況，一般發(fā)生在經(jīng)常拆裝的電纜上，且發(fā)生的頻率較高。如圖3所示，某點(diǎn)火電纜A靠近轉(zhuǎn)接插件CZ3端為焊接工藝，那么在生產(chǎn)、拆裝、測試等過程中，由于電纜A受外力不斷彎折、擠壓等，電纜芯線外的絕緣層就容易發(fā)生破裂，再加上點(diǎn)火電纜A靠近轉(zhuǎn)接插件CZ3端的屏蔽層若為平齊綁扎工藝，那么屏蔽層的金屬毛刺就容易與點(diǎn)火電纜絕緣層破裂處的芯線接觸，造成短路，形成一個瞬態(tài)的大電流，高達(dá)數(shù)10 A，對電氣分系統(tǒng)造成損壞。

2.2 發(fā)火分系統(tǒng)失效

發(fā)火分系統(tǒng)原理圖如圖4所示。其主要組成部分是電發(fā)火管和導(dǎo)線(圖4a)。其失效模式通常分為電發(fā)火管不發(fā)火和異常發(fā)火兩種情況。不發(fā)火一般是由于發(fā)火電流過大，導(dǎo)致電發(fā)火管橋絲在極短時間內(nèi)被熔斷，終止了加熱過程，因所產(chǎn)生的熱量過小，熱敏火藥不能正常引發(fā)，從而造成電發(fā)火管不發(fā)火;而異常發(fā)火則是由于發(fā)火分系統(tǒng)不可避免地處于復(fù)雜的電磁場環(huán)境中，當(dāng)導(dǎo)線在交變磁場作用下，在電路中就會產(chǎn)生交變電流，如果電流超過了最大安全電流，就會使電發(fā)火管異常發(fā)火。

圖4 發(fā)火分系統(tǒng)原理圖Fig.4 Firing subsystem principle map

2.3 能量釋放分系統(tǒng)失效

能量釋放分系統(tǒng)的核心是點(diǎn)火藥，點(diǎn)火藥的選擇應(yīng)與點(diǎn)火系統(tǒng)的類型相匹配，對于煙火劑型點(diǎn)火系統(tǒng)，較多使用的是煙火劑、黑火藥。其失效模式通常為發(fā)動機(jī)瞎火、點(diǎn)火延遲、斷續(xù)燃燒和殼體變形、爆炸等。其中發(fā)動機(jī)瞎火、點(diǎn)火延遲、斷續(xù)燃燒等失效模式主要是由于點(diǎn)火藥量不足，無法保證點(diǎn)火燃?xì)庀蜓b藥表面提供足夠的熱流，使點(diǎn)火正常進(jìn)行并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)燃燒;而發(fā)動機(jī)殼體變形、爆炸等失效模式主要是由于為了保證點(diǎn)火可靠，或者解決低溫條件下發(fā)動機(jī)難點(diǎn)火的問題而加大點(diǎn)火藥量(點(diǎn)火藥量越大，壓力越大)，當(dāng)壓力突增時，傳給燃燒表面的熱流也突增，來不及向裝藥內(nèi)部縱深傳遞，使燃燒表面積存得熱量增多，燃速提高，從而導(dǎo)致點(diǎn)火壓力過大［6-7］。

3 點(diǎn)火系統(tǒng)典型失效模式預(yù)防

3.1 電氣分系統(tǒng)典型失效模式預(yù)防

1)對于點(diǎn)火電池因激活電流過大而導(dǎo)致的失效情況，通常采用串聯(lián)功能電阻的方式予以限流，功能電阻R功能可由式(2)計算得到。

式中，U激活為激活電壓，I激活為激活電流，R電池為電池內(nèi)阻。

2)對于功能組件及轉(zhuǎn)接插件失效問題，不僅要通過提高功能組件可靠性，而且要進(jìn)一步規(guī)范操作細(xì)則來減小失效發(fā)生概率。

3)對于發(fā)生頻率較高的因短接而導(dǎo)致的電纜失效情況，采取將點(diǎn)火電纜插頭座端電纜的焊接后包覆絕緣層工藝，改為點(diǎn)火電纜直接焊接插頭座后灌膠工藝;并且將點(diǎn)火電纜插頭座端電纜屏蔽層的平齊綁扎工藝，改為翻卷后綁扎工藝，從而保證點(diǎn)火電纜不會因短接而造成失效。

3.2 發(fā)火分系統(tǒng)典型失效模式預(yù)防

1)對于發(fā)火分系統(tǒng)的電發(fā)火管因發(fā)火電流過大而導(dǎo)致的失效情況，通常采用串聯(lián)功能電阻的方式予以限流，功能電阻R功能可由式(3)計算得到。

式中，U發(fā)火為激活電壓，I發(fā)火為激活電流，R1、R2為電發(fā)火管內(nèi)阻。

2)對于發(fā)火分系統(tǒng)因交變磁場作用而導(dǎo)致的失效情況，通常采取在發(fā)火分系統(tǒng)上加裝低通濾波器的方式，如圖4b所示。當(dāng)交變電流通過時，電感產(chǎn)生的阻抗ZL=ωL，電容產(chǎn)生的阻抗ZC=1/ωC，總阻抗 Z=ZL+ZC。其中，ω 為交變電流頻率，L為電感，C為電容。

由此可知，ω越大，ZL越大，ZC則越小。當(dāng)高頻電流通過時，電感阻抗大，高頻電流絕大部分通過電容濾掉，而當(dāng)直流點(diǎn)火信號通過時，電容的阻抗很大，電流順利通過電感到達(dá)電發(fā)火管，完成正常點(diǎn)火。

3.3 能量釋放分系統(tǒng)典型失效模式預(yù)防

能量釋放分系統(tǒng)的失效主要是由于點(diǎn)火藥量造成的，尤其對于發(fā)動機(jī)研制初期，主要通過經(jīng)驗(yàn)公式估算點(diǎn)火藥量，而經(jīng)驗(yàn)公式是試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，有許多局限性，如通用性差、估算范圍較大，需要大量試驗(yàn)才能確定合理的藥量;另外多數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式只考慮了影響點(diǎn)火性能的一種或幾種因素，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選擇依賴于設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，計算結(jié)果誤差較大。

樊超等［8］針對傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式估算點(diǎn)火藥量存在的不足，依據(jù)固相點(diǎn)火理論提出了一種固體發(fā)動機(jī)點(diǎn)火藥量的計算方法，對固體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火藥量進(jìn)行了驗(yàn)算。驗(yàn)證結(jié)果表明該公式估算的點(diǎn)火藥量與發(fā)動機(jī)實(shí)際試驗(yàn)藥量基本一致，估算精度和通用性都優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式，較好地解決了點(diǎn)火藥量估算不準(zhǔn)的問題，大大降低了因此導(dǎo)致的失效概率。

4 結(jié)束語

隨著固體火箭推進(jìn)技術(shù)在各類戰(zhàn)術(shù)火箭、導(dǎo)彈和炮彈武器中的廣泛應(yīng)用，固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計的合理性、性能的好壞等都將直接影響發(fā)動機(jī)的性能。針對橋絲點(diǎn)火系統(tǒng)的3種典型失效模式、產(chǎn)生機(jī)理、相應(yīng)的預(yù)防措施進(jìn)行了闡述，對發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)評定等工程應(yīng)用具有一定的參考和借鑒作用。在工程應(yīng)用中，不僅要提高結(jié)構(gòu)組件可靠性，合理設(shè)計激活電流，嚴(yán)格規(guī)范操作，改進(jìn)電纜工藝等，而且，能量釋放分系統(tǒng)的點(diǎn)火模型的深入研究更應(yīng)是今后致力的方向。

［1］李健松.固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計［M］.長沙:國防科技大學(xué)出版社，1991:209－211.

［2］杜瑞兵，王剛.固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火失效分析及改進(jìn)［J］.四川兵工學(xué)報，2008，29(4):7－8.

［3］閔斌.防空飛行器固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計［M］.北京:宇航出版社，1993:148－153.

［4］王元有.固體發(fā)動機(jī)設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984:313－316.

［5］睦英，胡克嫻.固體火箭發(fā)動機(jī)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1990:113－115.

［6］易磊，寇軍強(qiáng)，李衛(wèi)鵬，等.戰(zhàn)術(shù)固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火沖擊試驗(yàn)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30(6):150－151.

［7］孫騎，曲家惠.固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.四川兵工學(xué)報，2011，32(10):17－20.

［8］樊超，張為華，王中偉.固體火箭發(fā)動機(jī)的一種點(diǎn)火藥量估算方法［J］.航空動力學(xué)報，2009，24(10):2379－2383.