某型大流量點火裝置點火性能優(yōu)化研究

陳 靜，楊敏鵬，李 靜，屠小昌，楊 勇

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某型大流量點火裝置點火性能優(yōu)化研究

陳 靜，楊敏鵬，李 靜，屠小昌，楊 勇

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

針對某型大流量點火裝置出現(xiàn)的點火延遲、點火壓強(qiáng)峰較高的問題，以點火機(jī)理分析為基礎(chǔ)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗結(jié)果，分析了影響點火性能的主要因素，提出了改變點火燃?xì)馀c粒子流動通道、改變密封片厚度的優(yōu)化方法。通過該方法，克服了點火延遲現(xiàn)象，點火壓強(qiáng)峰從最初的18MPa降低到8.3MPa，最終達(dá)到了優(yōu)化點火性能的目的。

點火裝置；大流量；點火性能；點火壓強(qiáng)峰；設(shè)計

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的迅速發(fā)展，沖壓發(fā)動機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、推力大、適用于高空高速飛行等特點，成為洲際飛航導(dǎo)彈、中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的理想動力源。無論從軍事上或經(jīng)濟(jì)上來考慮都有較好的效益，所以各國都在積極地從事研究[1]。其中，點火裝置設(shè)計是沖壓發(fā)動機(jī)可靠啟動的重要保障。在發(fā)動機(jī)設(shè)計中，為滿足燃料可靠點燃，需要點火裝置在較短時間內(nèi)產(chǎn)生大量點火燃?xì)猓瑫r為防止煙火藥燃燒產(chǎn)生的固體顆粒物質(zhì)沉積堵塞點火管道，點火裝置需采用大流量的輸出形式，點火粒子盡可能少，因此點火裝置通常選用固體推進(jìn)劑為裝藥[2]。

筆者研究了一種新型大流量點火裝置，該點火裝置為沖壓發(fā)動機(jī)的點火熱源，通過內(nèi)部裝藥燃燒產(chǎn)生高溫氣體方式工作，提供沖壓發(fā)動機(jī)點火所需的能量。該點火裝置在研制過程中出現(xiàn)了點火延遲、點火壓強(qiáng)峰過高的問題。

本文以點火機(jī)理分析為基礎(chǔ)，結(jié)合點火試驗結(jié)果，對影響點火性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了分析，提出了消除點火延遲、降低點火壓強(qiáng)峰的主要方法，達(dá)到了優(yōu)化點火性能的目的。

1 點火裝置指標(biāo)要求。

點火裝置主要技術(shù)指標(biāo)要求見表1

表1 點火裝置主要技術(shù)參數(shù)、指標(biāo)及要求

Tab.1 Technique parameters of the ignition device

2 點火裝置總體設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

點火裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。主裝藥采用管狀裝藥內(nèi)外孔加端面燃燒、整體式前點火、金屬殼體的總體設(shè)計方案，主要由點火蓋、點火座、裝藥、電點火管以及密封片等組成。電點火管選用某定型電點火管。

圖1 點火裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作過程

沖壓發(fā)動機(jī)啟動時，發(fā)出點火指令，通過電點火管產(chǎn)生點火燃?xì)?，在燃?xì)廨敵瞿芰孔饔孟?，推進(jìn)劑裝藥燃燒從局部開始直至全燃面引燃推進(jìn)劑裝藥，當(dāng)燃?xì)鈮簭?qiáng)達(dá)到密封片剪切壓強(qiáng)時，密封片打開，推進(jìn)劑裝藥按型面設(shè)計規(guī)律燃燒，生成高溫燃?xì)?，燃?xì)饨?jīng)過噴管流出，點燃沖壓發(fā)動機(jī)主裝藥。

2.3 點火設(shè)計

2.3.1 發(fā)火元件設(shè)計

點火管采用已定型的電點火管。電點火管與點火蓋通過螺紋連接，密封墊圈壓緊密封。電點火管開始工作后，燃燒產(chǎn)物通過雙點火通道直接噴射到主裝藥上，使點火產(chǎn)物與整個裝藥表面進(jìn)行傳導(dǎo)、對流換熱，增加有效加熱時間；電點火管輸出藥采用高能點火藥，點火藥燃燒產(chǎn)生固體含量大，引燃后的高能粒子噴射到點火座藥柱表面，能迅速、可靠地點燃主裝藥。為防止點火燃?xì)馓崆靶箟?，造成點火能量損失，在螺套與噴管之間壓緊密封片封堵，控制打開壓強(qiáng)在4～6MPa范圍，密封片采用鋁材料，當(dāng)點火座壓強(qiáng)達(dá)到打開壓強(qiáng)時，密封片剪斷。

2.3.2 密封片打開壓強(qiáng)計算

設(shè)計密封片為0.1mm厚的純鋁箔，取鋁的極限抗剪切強(qiáng)度τ=60MPa，根據(jù)公式（1）計算對應(yīng)噴管處剪切壓強(qiáng)：

式（1）中：D為剪切直徑取6.0mm；為密封片厚度，取0.1mm。

計算得到密封片打開壓強(qiáng)為4.0MPa，滿足打開壓強(qiáng)在4～6MPa范圍。

2.3.3 點火藥量計算

點火燃?xì)獍凑胀耆珰怏w狀態(tài)方程假設(shè)，點火壓強(qiáng)采用公式（2）（按密閉定容狀態(tài)）計算[3-4]。

式（2）中：m為點火管點火藥量；p為點火管點火壓強(qiáng)；V為點火裝置初始自由容積；為點火藥燃燒產(chǎn)物凝相百分?jǐn)?shù)；R為通用氣體常數(shù)，8 314J/（mol·K）；為點火藥燃?xì)馄骄肿恿浚?i>T為點火藥燃?xì)鉁囟取?/p>

點火裝置初始自由容積V=26.5cm3、凝相百分?jǐn)?shù)=0.65、氣體平均分子量=31、燃?xì)鉁囟?i>T=3 000K，點火壓強(qiáng)取5MPa，計算得點火藥量0.47g，電點火管輸出點火藥量0.75g，滿足點火要求。

3 點火性能試驗及優(yōu)化設(shè)計

3.1 性能試驗及改進(jìn)措施

3.1.1 試驗條件

采用HM150-2恒流脈沖電源、DPO7154示波器、宇航ZQ-Y1系列壓強(qiáng)傳感器（最大量程為30MPa）對點火裝置進(jìn)行點火試驗，每發(fā)產(chǎn)品配套單發(fā)電點火管，點火管為單橋鈍感點火管，每橋電阻應(yīng)在0.90～1.20Ω范圍內(nèi)，點火電流5A，加電時間50ms。示波器采樣時間5s，采用頻率2 000Hz。點火試驗分為高溫（+80℃）、低溫（-40℃）、常溫3種狀態(tài)，高溫、低溫試驗保溫時間不低于4h，升降溫速率不大于60℃/h。

3.1.2 試驗結(jié)果及改進(jìn)措施

對3發(fā)點火裝置進(jìn)行點火輸出性能試驗，測試輸出性能參數(shù)，如燃燒室壓強(qiáng)、工作時間。試驗中產(chǎn)品常溫、低溫均出現(xiàn)了點火延遲現(xiàn)象，試驗測得——曲線分為兩段，中間出現(xiàn)5~8s的點火延遲，——曲線工作段壓強(qiáng)峰值為3.2MPa。

根據(jù)點火機(jī)理，分析影響點火性能的主要因素為點火產(chǎn)物熱值持續(xù)加熱時間，以及火焰長度[5]。針對本產(chǎn)品，分析出現(xiàn)點火延遲現(xiàn)象的原因：由于點火管輸出的點火燃?xì)馀c粒子通過主裝藥環(huán)內(nèi)孔直接噴射到密封片上，密封片提前打開，沒有起到點火建壓的作用，導(dǎo)致主裝藥內(nèi)孔被點燃，但外表面沒有點燃，既點火燃?xì)饧傲Ｗ釉谥餮b藥外表面停留時間較短，對外表面持續(xù)加熱時間不足，點火瞬間主裝藥沒有全燃面燃燒。根據(jù)分析可知需改變點火燃?xì)馀c粒子的流通通道，使點火燃?xì)馀c粒子在點火座內(nèi)停留更長時間，同時盡可能流通到裝藥外表面，而不僅僅是從內(nèi)孔直接流出。因此，提出以下幾點改進(jìn)措施：首先，擋藥板改為四周開孔，藥柱內(nèi)孔直對面不開孔，防止點火燃?xì)夂土Ｗ又苯訃娚涞矫芊馄希瑢?dǎo)致密封片提前打開，改進(jìn)前后擋藥板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擋藥板結(jié)構(gòu)圖

其次，裝藥支架由中心φ18mm的單孔改為8個φ2mm的孔，防止點火管輸出的點火粒子直接由藥柱內(nèi)孔流出，導(dǎo)致只有藥柱內(nèi)孔點燃，改進(jìn)前后裝藥支架結(jié)構(gòu)如圖3所示；再次，密封片由厚度0.1mm的純鋁箔改為0.2mm 厚的防銹鋁箔，目的是提高剪切強(qiáng)度，增大建壓時間。對改進(jìn)后產(chǎn)品進(jìn)行了點火性能試驗，未出現(xiàn)點火延遲現(xiàn)象，點火裝置工作正常，試驗曲線如圖4所示，試驗結(jié)果如表2所示。

圖3 裝藥支架結(jié)構(gòu)圖

表2 改進(jìn)后試驗結(jié)果

Tab.2 Test results after improvement

注：采用0.2mm厚度的防銹鋁箔作為密封片。

從表2結(jié)果可以得出：（1）高低常溫條件下點火壓強(qiáng)峰較高，達(dá)到18MPa，分析原因密封片采用0.2mm厚防銹鋁箔，材料硬度較高，抗剪切強(qiáng)度為90 MPa，按公式（1）計算得到打開壓強(qiáng)13MPa，導(dǎo)致點火壓強(qiáng)峰過高。（2）產(chǎn)品工作過程無點火延遲現(xiàn)象，且其他輸出參數(shù)滿足指標(biāo)要求，說明針對點火延遲問題改進(jìn)措施有效。

圖4 改進(jìn)后的試驗——曲線圖（低溫）

Fig.4——curve after improvement(low temperature test)

3.2 優(yōu)化后試驗結(jié)果

針對出現(xiàn)的點火壓強(qiáng)峰過高的問題，將密封片材料更換為純鋁，其抗剪切強(qiáng)度為60MPa，同時密封片不能提前打開，因此需保證足夠的打開壓強(qiáng)。密封片厚度按照0.15mm、0.2mm進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)試驗結(jié)果選定合適厚度，按公式（1）計算得到打開壓強(qiáng)分別為6.5MPa，8.6MPa。改進(jìn)后按照3.1.1節(jié)試驗條件對點火裝置進(jìn)行點火輸出性能試驗，測試曲線如圖5所示，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3結(jié)果可以得出：（1）密封片為0.15mm厚純鋁箔時，低溫工作段壓強(qiáng)峰低于技術(shù)指標(biāo)要求，說明密封片打開壓強(qiáng)較低。（2）密封片為0.2mm厚純鋁箔時，產(chǎn)品輸出參數(shù)滿足指標(biāo)要求，說明該種規(guī)格密封片更為適合。根據(jù)試驗結(jié)果，最終確定裝藥支架、擋藥板結(jié)構(gòu)以及密封片材料及厚度，有效地提高了點火裝置點火性能。

圖5 優(yōu)化后的P——t曲線（低溫）

表3 優(yōu)化后的試驗結(jié)果

Tab.3 Test results after optimization

4 結(jié)論

本文以某大流量點火裝置為研究對象，根據(jù)點火試驗結(jié)果，分析了造成點火延遲、點火壓強(qiáng)峰較高的主要因素，提出了優(yōu)化點火性能的主要方法，達(dá)到了總體設(shè)計要求。主要結(jié)論為：（1）造成點火延遲的主要原因是點火管輸出燃?xì)饬Ｗ又苯訃娚涞矫芊馄?，?dǎo)致密封片提前打開，點火瞬間主裝藥沒有全燃面燃燒；（2）造成點火壓強(qiáng)峰過高的原因為密封片剪切壓強(qiáng)太大，需要較高的壓強(qiáng)峰值才能打開。（3）通過改進(jìn)擋藥板結(jié)構(gòu)、裝藥支架結(jié)構(gòu)，以及選擇合適的密封片材料及厚度，能有效改善點火延遲現(xiàn)象，降低點火壓強(qiáng)峰值，提高點火可靠性。（4）通過優(yōu)化設(shè)計，點火壓強(qiáng)峰值從最初的18MPa降低到8.3MPa，最終達(dá)到了優(yōu)化點火性能的目的。

[1] 劉興洲.中國超燃沖壓發(fā)動機(jī)研究回顧[J].推進(jìn)技術(shù),2008，29(4):385 -395.

[2] 李慶,譚建國.沖壓發(fā)動機(jī)點火性能影響因素分析[J].推進(jìn)技術(shù),2013,34(8):1 082-1 087.

[3] 王光林,菜峨,等.固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[4] 屠小昌,王建生.固體火箭發(fā)動機(jī)點火藥量的計算[J].固體火箭技術(shù),2000,23(4):5-7.

[5] 鐘戰(zhàn).燃?xì)獍l(fā)生器點火與燃燒性能研究[D].長沙:國防科技大學(xué),2008.

Optimization Research on Ignition Performance of A Large Flow Ignition Device

CHEN Jing，YANG Min-peng，LI Jing，TU Xiao-chang，YANG Yong

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061)

Aiming at solving the problem that ignition delay and high ignition pressure peak of a large flow ignition device, based on ignition mechanism analysis and according to structural design and the results of test, the main factors that affect ignition performance were analyzed. Meanwhile, two improvement measures, such as changing the flow path of ignition gas and particles and changing sealing sheet thickness, were proposed. By these methods, the ignition delay phenomenon was overcome, the ignition pressure peak was reduced from 18MPa to 8.3MPa, the purpose of optimizing ignition performance was achieved.

Ignition device；Large flow；Ignition performance；Ignition pressure peak；Design

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.002

1003-1480（2017）06-0006-04

2017-08-15

陳靜（1990 -），女，工程師，主要從事小型固體火箭發(fā)動機(jī)、點火發(fā)動機(jī)、大流量點火裝置研究。