基于AHYG-2產(chǎn)氣藥的單高壓室固體燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)

吳　昊，王　琦，劉歡楊，楊安民，安繼峰

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

基于AHYG-2產(chǎn)氣藥的單高壓室固體燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)

吳昊，王琦，劉歡楊，楊安民，安繼峰

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

為滿足導(dǎo)彈快速發(fā)射、機(jī)動(dòng)發(fā)射等新戰(zhàn)技要求，同時(shí)為克服高壓儲(chǔ)氣瓶類發(fā)生器的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了單高壓室固體燃?xì)獍l(fā)生器。該設(shè)計(jì)采用AHYG-2產(chǎn)氣藥作為主裝藥，逐級(jí)放大中心點(diǎn)火方式以及金屬壓制網(wǎng)過濾冷卻方式，并對其可靠性進(jìn)行了分析。拋放試驗(yàn)表明，在實(shí)現(xiàn)相同功能的前提下，本燃?xì)獍l(fā)生器較高壓儲(chǔ)氣瓶式發(fā)生器及多燃燒室氣體發(fā)生器具有體積小、重量輕、戰(zhàn)術(shù)反應(yīng)迅速、可靠性高的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于拋撒及釋放機(jī)構(gòu)，完全替代導(dǎo)彈上常規(guī)高壓儲(chǔ)氣瓶。

固體燃?xì)獍l(fā)生器；氣體發(fā)生劑；單燃燒室；點(diǎn)火；過濾；可靠性

當(dāng)今，隨著各國核彈力量的發(fā)展，多彈頭成為必然要求。彈頭可提高作戰(zhàn)威力，擴(kuò)大毀傷范圍，是增加武器突防能力的有效途徑。對于重量較大多彈頭的釋放，目前主要采用儲(chǔ)存式高壓氣瓶放氣推動(dòng)活塞做功實(shí)現(xiàn)。該方式主要存在戰(zhàn)備時(shí)間長（＞30min）、儲(chǔ)存期短（＜10a）、維護(hù)周期短（＜2a）、故障率高的缺陷。為克服儲(chǔ)存式高壓氣瓶放氣工作方式的缺點(diǎn)，提出了固體燃?xì)獍l(fā)生器代替高壓氣瓶的工作方式。固體燃?xì)獍l(fā)生器是一種先進(jìn)火工裝置，可以按照設(shè)計(jì)產(chǎn)生特定規(guī)律的氣體。其主要依靠內(nèi)部主裝藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)夤ぷ?，無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，具有產(chǎn)氣規(guī)律可控、戰(zhàn)備時(shí)間短（零準(zhǔn)備時(shí)間）、儲(chǔ)存壽命長（＞17a）、壽命期限內(nèi)免維護(hù)等諸多突出優(yōu)點(diǎn)[1-4]。針對某型導(dǎo)彈對子彈的拋撒要求（為120kg的子彈提供6～8m/s的水平拋撒速度），本研究探討單高壓室固體燃?xì)獍l(fā)生器的設(shè)計(jì)方案。

1　各種燃?xì)獍l(fā)生器特性對比

1.1儲(chǔ)存式高壓氣瓶氣體發(fā)生器

儲(chǔ)存式高壓氣瓶氣體發(fā)生器主要由高壓氣瓶、電磁閥組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該氣體發(fā)生器的主要?jiǎng)恿υ礊閮?chǔ)存于高壓氣瓶內(nèi)的高壓氣體，當(dāng)需要釋放氣體做功時(shí)由控制信號(hào)控制電磁閥打開放氣。

圖1　儲(chǔ)存式高壓氣瓶氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure schematic of cylinder gas generator

1.2新型煙火式氣體發(fā)生器[5]

該新型煙火式氣體發(fā)生器針對某型導(dǎo)彈子彈拋撒設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)為四聯(lián)裝捆綁式結(jié)構(gòu)，既將4個(gè)相同功能的煙火式氣體發(fā)生器設(shè)計(jì)為一體，共享1套點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，但是設(shè)計(jì)為4個(gè)高壓室。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　多燃燒室氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure schematic of multiple high pressure chambered gas generator

該新型煙火式氣體發(fā)生器點(diǎn)火后，4個(gè)獨(dú)立的高壓室同時(shí)燃燒，高溫燃?xì)饨?jīng)過獨(dú)立的過濾冷卻后匯聚到噴口，并排出氣體發(fā)生器完成工作過程。

1.3單高壓室固體燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)

本研究的單高壓室燃?xì)獍l(fā)生器針對某型導(dǎo)彈子彈拋撒設(shè)計(jì)，要求為重量均為120kg的子彈提供6 ～8m/s水平拋撒速度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原理為：接到控制信號(hào)后，點(diǎn)火機(jī)構(gòu)點(diǎn)火，將高壓室內(nèi)部的主裝藥點(diǎn)燃，燃燒的主裝藥產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓細(xì)馔ㄟ^氣體通路進(jìn)入低壓室殼體，經(jīng)過過濾冷卻機(jī)構(gòu)后，排出燃?xì)獍l(fā)生器，完成工作過程。

圖3　單高壓室燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure schematic of single high pressure chambered gas generator(SHPCG)

2　單高壓室燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)方案

2.1單高壓室設(shè)計(jì)

燃?xì)獍l(fā)生器僅含有1個(gè)高壓室，全部主裝藥均裝填于1個(gè)高壓室內(nèi)部，保證了主裝藥能夠同時(shí)按照相同規(guī)律燃燒，避免了采用多高壓室結(jié)構(gòu)造成的主裝藥燃燒的不一致性。

2.2新型主裝藥

本固體燃?xì)獍l(fā)生器的主裝藥采用基于第2代產(chǎn)氣藥技術(shù)的AHYG-2產(chǎn)氣藥，該產(chǎn)氣藥相較于第1代基于疊氮化鈉的產(chǎn)氣藥具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）綠色環(huán)保。燃燒產(chǎn)物除固相物質(zhì)外，主要成分為水及氮?dú)?。藥劑本身及燃燒產(chǎn)物對人體基本無毒害，避免了第1代產(chǎn)氣藥劑對操作人員的身體損害；（2）比容高。比容大于500mL/g，保證與多高壓室類型的氣體發(fā)生器達(dá)到相同功能，而裝藥量減少30%以上。

2.3壓制成型主裝藥結(jié)構(gòu)

主裝藥采用壓制成型的方式進(jìn)行裝填。粉末狀主裝藥壓制為密度大于1.93g/cm3的環(huán)狀結(jié)構(gòu)藥柱，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的藥柱外表面采用硅橡膠進(jìn)行包覆阻燃，裝填入高壓室后，藥環(huán)間的接觸面使用“梅花”型墊片隔開，如圖4所示。

圖4　壓制成型主裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure schematic of compression moulding for main charge

進(jìn)行包覆后的藥環(huán)呈減面燃燒，保證燃?xì)獍l(fā)生器在工作的前期具有最大做功能力，減少后期做不必要的功，利于燃面規(guī)律的控制及裝藥量的最小化。

2.4逐級(jí)放大中心點(diǎn)火

在進(jìn)行城市濕地公園的景觀設(shè)計(jì)工作中，必須遵守區(qū)域性的原則。通常，遵守區(qū)域性原則應(yīng)注意：在設(shè)計(jì)中充分傳承當(dāng)?shù)氐娜宋奶厣?。在這基礎(chǔ)上，進(jìn)行一個(gè)比較適宜的生態(tài)濕地公園的設(shè)計(jì)管理，充分將施工所在地的傳統(tǒng)文化內(nèi)涵融入建筑過程中，使其能夠發(fā)展成為傳遞特有精神的渠道[4]。

點(diǎn)火機(jī)構(gòu)采取逐級(jí)放大的中心點(diǎn)火方式。點(diǎn)火機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5　點(diǎn)火機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Structure schematic of ignition mechanism

圖5中燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火依靠2發(fā)點(diǎn)火器進(jìn)行初始點(diǎn)火，點(diǎn)火器的點(diǎn)火能量經(jīng)過放大點(diǎn)火藥環(huán)的放大作用后，由點(diǎn)火噴口進(jìn)入高壓室。該點(diǎn)火方式一方面使點(diǎn)火能量集中釋放，有利于點(diǎn)火能量的高效利用；另一方面，由中心部位對整個(gè)高壓室內(nèi)部的全部裝藥進(jìn)行同步點(diǎn)火，滿足了內(nèi)彈道的“中心、高能量點(diǎn)火”設(shè)計(jì)原則，有效避免膛內(nèi)壓力波的產(chǎn)生，使燃?xì)獾妮敵鎏匦愿臃€(wěn)定易控。

2.5金屬壓制網(wǎng)過濾冷卻機(jī)構(gòu)

高溫高壓燃?xì)獾倪^濾一直是固體發(fā)動(dòng)機(jī)類產(chǎn)品的技術(shù)難題。常規(guī)金屬絲編制網(wǎng)主要存在如下不足：（1）材料造價(jià)高，加工難度大。為滿足高溫下的高強(qiáng)度要求，通常采用鎢合金、鉬合金絲進(jìn)行編織，此類金屬材料不宜編織，良品率較低，造成成本上升；（2）過濾精度與強(qiáng)度存在矛盾。為達(dá)到較高過濾精度水平，金屬絲編制網(wǎng)需要具有較小的絲徑及較密集的編織方法，由此帶來的問題是絲徑較小、強(qiáng)度降低。特別是過濾網(wǎng)上形成大量濾餅時(shí)，會(huì)對過濾網(wǎng)造成較大壓力，易導(dǎo)致過濾網(wǎng)破損失去過濾能力，或造成發(fā)生器（固體發(fā)動(dòng)機(jī)）內(nèi)部壓力急劇上升，嚴(yán)重影響裝藥的正常燃燒，造成爆炸的惡劣后果。同時(shí)，破損的過濾網(wǎng)會(huì)在噴口部位形成堵塞，造成發(fā)生器（固體發(fā)動(dòng)機(jī)）爆炸的后果。為此，本燃?xì)獍l(fā)生器采用金屬絲壓制成型過濾網(wǎng)作為燃?xì)膺^濾手段，該壓制過濾網(wǎng)片采用絲徑0.6mm的0Cr18Ni9不銹鋼絲經(jīng)模具壓制成型，如圖6所示。

該壓制成型過濾網(wǎng)片可以依據(jù)過濾精度要求設(shè)計(jì)為特定的厚度及密度，一方面提高濾餅的包容率，降低內(nèi)部壓力對過濾網(wǎng)的破壞，另一方面通過吸收燃?xì)鉄崃炕虿糠植牧掀瘉斫档腿細(xì)鉁囟?。該過濾網(wǎng)片的材料耐熱性能不及鎢絲及鉬絲，但其特殊的工作原理使過濾網(wǎng)片整體耐溫性能大幅提高。此外，可依據(jù)使用需求壓制為任意形狀直接裝填，不需要設(shè)計(jì)特殊的緊固及支撐裝置。

圖6　壓制成型過濾網(wǎng)照片F(xiàn)ig.6　Photograph of compression moulding filter screen

2.6高可靠性

該燃?xì)獍l(fā)生器在關(guān)鍵部位采用雙路冗余設(shè)計(jì)，功能框圖如圖7所示，可靠性模型如圖8所示。

圖7　單高壓燃燒室燃?xì)獍l(fā)生器功能框圖Fig.7　Function block diagram for SHPCG

圖8　單高壓燃燒室燃?xì)獍l(fā)生器可靠性框圖Fig.8　Reliability model for SHPCG

多燃燒室類氣體發(fā)生器工作原理如圖9所示，可靠性模型如圖10所示。

圖9　多高壓燃燒室燃?xì)獍l(fā)生器功能框圖Fig.9　Function block diagram for MHPCG

圖10　多高壓燃燒室燃?xì)獍l(fā)生器可靠性框圖Fig.10　Reliability model for MHPCG

圖10中：R1為點(diǎn)火器工作可靠性；R2為點(diǎn)火放大藥環(huán)工作可靠性，R3、R4、R5、R6分別為4個(gè)燃燒室內(nèi)主裝藥工作可靠性。其工作可靠性：

假設(shè)多個(gè)燃燒室的可靠性相同且均為R3（實(shí)際上并不相同），則單燃燒室與多燃燒室燃?xì)獍l(fā)生器的可靠性關(guān)系為：

由此可知，單燃燒室發(fā)生器的可靠性較多燃燒室發(fā)生器相比，可靠性大幅提高。

3　子彈拋撒試驗(yàn)驗(yàn)證

采用實(shí)彈地面試驗(yàn)進(jìn)行子彈拋撒試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)原理如圖11所示。

圖11　子彈拋撒試驗(yàn)裝置示意圖Fig.11　Launching experiment device for shrapnel release

利用該機(jī)構(gòu)測試子彈拋放速度，試驗(yàn)樣本量均大于5。在試驗(yàn)中，動(dòng)力源分別為傳統(tǒng)高壓氣瓶發(fā)生器、多燃燒室氣體發(fā)生器、本文所述燃?xì)獍l(fā)生器，試驗(yàn)中涉及到的參數(shù)比較結(jié)果如表1所示。

表1　各種燃?xì)獍l(fā)生器參數(shù)對比表

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，3種動(dòng)力源均滿足將子彈拋放速度達(dá)到6～8m/s的要求，但是在部分特性數(shù)據(jù)上，本文所述燃?xì)獍l(fā)生器具有巨大優(yōu)勢。特別是可靠性大幅提高，結(jié)構(gòu)重量較氣瓶式氣體發(fā)生器及多燃燒室氣體發(fā)生器分別減輕108%及20%。

4　結(jié)論

高壓燃?xì)獍l(fā)生器在實(shí)現(xiàn)相同功能的前提下，解決了氣瓶式氣體發(fā)生器重量大、體積大、造價(jià)高、工作可靠性低、戰(zhàn)術(shù)反應(yīng)時(shí)間長的問題。同時(shí)，單高壓室燃?xì)獍l(fā)生器比多燃燒室燃?xì)鈿怏w發(fā)生器具有更小的體積、重量，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中不涉及劇毒物質(zhì)，更加綠色環(huán)保，特別是在工作可靠性方面大幅提高。該燃?xì)獍l(fā)生器是該類產(chǎn)品的最精簡設(shè)計(jì)，是對燃?xì)獍l(fā)生器的一種新嘗試。通過試驗(yàn)證明，該燃?xì)獍l(fā)生器可代替常規(guī)高壓氣瓶氣體發(fā)生器，作為導(dǎo)彈武器的子母彈分離釋放、拋撒、解鎖的動(dòng)力源，并可擴(kuò)展應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。

[1] 王凱民,溫玉全，編著.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 毛成立,李葆萱,等.燃?xì)獍l(fā)生器流量調(diào)節(jié)方案的比較[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006,32(10):3-5.

[3] 王伯羲,馮增國,楊榮杰.火藥燃燒理論[M].北京:國防工業(yè)出版社,1997.

[4] 關(guān)英姿.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)教程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[5] 何鋒彥,楊正才,等.一種新型煙火式氣體發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].火工品, 2014(1):1-4.

Design on A Single High Pressure Chambered Gas-generator (SHPCG) Loaded AHYG-2 as Main Charge

WU Hao，WANG Qi，LIU Huan-yang，YANG An-min，AN Ji-feng
(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061)

Aimed at requirements of speediness launching and mobile launching for missiles, as well as disadvantages of gas cylinder, a single high pressure chambered gas-generator (SHPCG) was designed, which takes AHYG-2 as main charge, ignition manner of central and step-by-step amplification, and cooling by compression mounding metal filter screen. Meanwhile, the function reliability of the SHPCG was analyzed. By shrapnel release experiment, it is known that compared to the gas cylinder and the multi high pressure chambered gas-generator (MHPCG), the designed SHPCG has the characteristics of smaller volume, lighter weight, shorter tactic time and higher reliability, it can also be widely used in some other fields of release and launching of shrapnel for missile, and totally take the place of gas cylinder in missile.

Solid gas generator；Gas generating agent；Single high pressure chamber；Ignition；Filter；Reliability

TJ450.2

A

1003-1480（2015）01-0018-04

2014-10-27

吳昊（1982-），男，工程師，從事火工品設(shè)計(jì)研究。