沖壓發(fā)動機堵蓋用含能基體性能優(yōu)化研究

姜文歡，蔡軍軍，文 沖

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沖壓發(fā)動機堵蓋用含能基體性能優(yōu)化研究

姜文歡1，蔡軍軍2，文 沖3

（1.中國船舶重工集團公司第710研究所，湖北宜昌，443003；2.中國人民解放軍96315部隊，湖南懷化，418000；3.陜西應(yīng)用物理化學研究所，陜西西安，710061）

對目前國內(nèi)沖壓發(fā)動機進氣道堵蓋材料存在的拋出物尺寸大、作用時間長且結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，選用具有特殊三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔銅，通過在孔內(nèi)填充含能藥劑得到含能基體；從含能基體爆炸性能及力學性能方面，探討了不同添加劑比例及不同固化方式對含能基體爆速、總作用時間以及抗壓能力的影響，最終得到一種具有明顯優(yōu)勢的堵蓋材料。結(jié)果表明：成型后的含能基體抗壓能力達到13MPa，爆速為3 026m/s，作用時間不超過30μs，能被可靠起爆，同時殘渣粒徑小于1mm。將其作為固沖發(fā)動機進氣道堵蓋材料具有突出優(yōu)勢。

多孔材料；含能基體；堵蓋材料；抗壓能力；爆速；作用時間

固體火箭沖壓發(fā)動機是超聲速導(dǎo)彈動力裝置的一個主要發(fā)展方向，其中，轉(zhuǎn)級系統(tǒng)起著銜接助推級到?jīng)_壓級工作的關(guān)鍵作用。整個轉(zhuǎn)級過程包括助推噴管拋撒、燃氣發(fā)生器工作、進氣道堵蓋打開等動作，而能否快速可靠打開進氣道堵蓋則直接關(guān)系到能否使主發(fā)動機及時接力工作。在沖壓發(fā)動機轉(zhuǎn)級過程中，進氣道出口堵蓋是關(guān)鍵部件。它在助推時需要承受高壓作用并能夠可靠密封，在發(fā)動機轉(zhuǎn)級時又要能夠可靠而迅速打開。目前，國內(nèi)所研制的進氣道堵蓋主要分為可拋式和不可拋式兩大類[1-2]。可拋式堵蓋的缺點是整塊堵蓋體積較大，可能損壞沖壓補燃室或噴管。不可拋式堵蓋不會產(chǎn)生大的拋出物甚至沒有拋出物，缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜[1-5]。

本文基于泡沫金屬材料的性能優(yōu)勢，選用鈍感火工藥劑進行裝填，并施以強度提高技術(shù)，獲得具有優(yōu)良力學性能和密封、耐溫特性的含能基體。該含能基體經(jīng)微型點火/起爆裝置輸出能量的作用，能實現(xiàn)快速可靠爆炸并形成細小的破碎物，從而滿足固沖發(fā)動機進氣道堵蓋材料的要求。

1 含能基體制備及性能測試

1.1 含能基體制備

選用上海眾維新材料有限公司生產(chǎn)的多孔銅進行試驗研究，多孔銅規(guī)格為80PPI，測得孔隙率為94.6%；利用Olympus Lext 3100激光共聚焦掃描顯微鏡（Confocal Laser Scanning Microscope）（圖1）對多孔銅孔徑進行測量，孔徑分布測量結(jié)果如圖2所示。

圖1 激光共聚焦三維顯微鏡

圖2 多孔銅孔徑分布測量結(jié)果

對多孔銅表面進行預(yù)處理并采用固體-振動法進行含能藥劑的填充。含能藥劑選用既能作為起爆藥又可作為炸藥使用的高氯酸胺共晶化合物G，該藥劑撞擊感度和摩擦感度比一般起爆藥要低很多，并具有良好的熱安定性，其5s爆發(fā)點為360℃[6]。含能基體制備過程如圖3所示。試驗采用振動法進行含能藥劑的填充，首先將制備好的G藥劑過100目篩，取篩下物進行裝填，多孔銅被切割成一定規(guī)格的形狀后，上表面為裝填藥劑面，其余5個面事先用涂少量硅橡膠的稱量紙密封，將其放入裝藥模具中，再倒入一定量的藥劑G，開啟電鈴進行振動裝填，振動時間為2min，完成后將裝填藥劑面用同樣的方式進行密封，完成含能基體的制備，通過此振動裝填方式得到含能基體的藥劑填充度為（68±3）%。

圖3 含能基體制備過程

1.2 含能基體性能測試

1.2.1 含能基體爆速測試

含能基體的爆速和平均爆速測量均采用（斷-通）電離探針法，該方法的基本原理是利用炸藥爆轟時爆轟波陣面電離導(dǎo)電特性或壓力突變，測定爆轟波一次通過藥柱內(nèi)（或外）各探針所需時間，從而求得平均爆速，實驗原理如圖4所示。

圖4 爆速測試示意圖

爆速測量如圖4(a)所示，由于從爆轟初始到爆轟穩(wěn)定需要一定距離，所以將第1靶設(shè)在距離起爆端一定距離A處（長度不小于含能基體最小維度的4倍），靶距為20~30mm，靶線為直徑Φ0.10mm漆包線，用31#小雷管起爆含能基體。計數(shù)器上顯示爆轟波傳播經(jīng)過長度的藥柱的時間()，因此爆速v為：

v=/（1）

爆速測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同填充度的含能基體爆速值

Tab.1 Detonation velocity of energetic base with different filling degree

文獻[6]指出，藥劑G在=1.559g·cm-3時，爆速可達到7 333m·s-1。由試驗結(jié)果可知，將藥劑G填充到多孔銅中，含能基體爆速為（3 170±220）m/s，且隨著填充度的增加而變大?？紤]到含能基體的應(yīng)用前景，后續(xù)性能優(yōu)化應(yīng)該在提高藥劑填充度的同時控制爆速過快增長。

1.2.2 含能基體平均爆速測量

含能基體平均爆速測量如圖4(b)所示，爆速儀記錄的時間為從爆轟開始到爆轟結(jié)束總作用時間’。實驗中用游標卡尺測量含能基體總長度’（mm）。根據(jù)式（1）可求得含能基體平均爆速’，試驗結(jié)果如表2所示。

由表2試驗結(jié)果可知，由于爆轟成長過程到爆轟穩(wěn)定需要一定時間，所以平均爆速為(2 450± 130)m/s，比表1爆速（3 170±220）m/s有一定程度的降低。長度為（30.6±0.6）mm的含能基體，總作用時間為（12.6±0.6）μs，將其用于沖壓發(fā)動機進氣道堵蓋材料，作用時間短將成為其突出優(yōu)勢。

表2 含能基體平均爆速測量

Tab.2 Measurement of average detonation velocity of energetic base

1.2.3 含能基體抗壓能力試驗

根據(jù)GB/T 10424-2002中測定燒結(jié)金屬摩擦材料抗壓強度的方法[7]，對含能基體的抗壓能力進行試驗。試驗基本原理為：以試樣在軸向壓縮力作用下直到破壞時所承受的最大負荷除以原始試樣橫截面積所得的應(yīng)力作為抗壓強度?？箟簭姸劝词剑?）計算：

δ=/（2）

式（2）中：δ為抗壓強度，MPa；為試樣破壞前所承受的最大負荷，N；為原始試樣的橫截面積，mm2。測試結(jié)果如表3所示。

表3 含能基體抗壓能力測試

Tab.3 Measurement of compressive capacity of energetic base

由表3測試結(jié)果可知，含能基體抗壓能力不超過4.7MPa，相較于固沖發(fā)動機轉(zhuǎn)級隔板所要求的10MPa抗壓強度仍然存在一定差距。

2 含能基體性能優(yōu)化研究

由1.2節(jié)試驗結(jié)果可知，僅裝填藥劑G的含能基體抗壓能力不足，而提高裝填密度會大大提高含能基體爆速，從而帶來使用的安全性問題。為更好地應(yīng)用于沖壓發(fā)動機進氣道堵蓋，需要對含能基體進行性能優(yōu)化，本文通過添加惰性材料以降低含能基體爆炸威力、添加固化劑及機械加壓方式提高含能基體抗壓能力。

2.1 添加惰性材料對含能基體爆速的影響

本文選用的惰性材料A具有抗黏、助流、熔點高、化學性不活潑等優(yōu)良的物理、化學特性，為探討G中添加A是否能夠有效降低含能基體爆炸威力，使A質(zhì)量百分數(shù)從0逐漸增大，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 A含量對含能基體爆速的影響

Tab.4 Effect of content of A on detonation velocity of energetic base

注：全爆指含能基體爆炸后殘渣均為粉末；半爆指殘渣中存在塊狀多孔銅；爆燃指含能基體的基體基本完好，只能觀察到被燒蝕過。下同。

由表4試驗結(jié)果可知，在含能藥劑中添加A能夠較大程度上降低含能基體的爆炸威力和爆速。根據(jù)試驗結(jié)果，含能基體爆速隨著添加A比例的提高而降低，當A含量增加到15%以上時，含能基體爆速從3 000m·s-1以上降到2 100m·s-1左右，其爆轟聲音也明顯減小。直至A含量提高到36%，含能基體爆速降至1 535m·s-1，其殘渣顆粒仍然均為粉末。繼續(xù)提高A含量時，含能基體爆炸后殘渣中開始出現(xiàn)大顆粒，當A摻雜比例達到45%時，含能基體不能被起爆，僅起爆點出現(xiàn)炸痕外，其余基本完好。根據(jù)上述試驗結(jié)果可得，當A摻雜比例為15%~36%時，能夠有效降低含能基體威力，同時保證含能基體起爆后殘渣均為粉末。

2.2 固化劑對含能基體力學性能影響

根據(jù)1.2.3節(jié)中結(jié)論，純G填充的含能基體抗壓能力不超過4.7MPa，為滿足后期應(yīng)用需求，應(yīng)較大程度提高其抗壓能力。文獻[6]指出，G能夠承受335℃以上的溫度。查閱文獻[8-9]得知，熱固性酚醛樹脂（phenol-formaldehyde resin，簡稱PF）具有力學強度高、吸濕性低等優(yōu)點，且受熱可自動固化，其固化溫度為120~150℃，因此選其作為固化劑來提高含能基體抗壓強度。

將過100目篩的PF以不同比例（順序從高到低）混入G（粒徑為100目下）中，將其填充到多孔銅中利用鼓風烘箱進行加熱，溫度控制為120℃，加熱20min，取出冷卻，使之自然固化。對不同配比的含能基體進行抗壓強度測試，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 添加不同含量PF后含能基體抗壓能力測試

Tab.5 Test of compressive strength of energetic base after adding different content of PF

由表5試驗結(jié)果可知，添加劑PF對含能基體抗壓能力有明顯提高，抗壓能力隨著PF含量增加而提高，當PF含量為10%時，含能基體的抗壓能力只從4.44MPa提高到4.70MPa，而當PF含量為20%時，含能基體能夠承受7.83MPa壓力強度。由試驗結(jié)果可知，當酚醛樹脂含量超過20%，對抗壓能力的提高影響變得不再顯著。

2.3 含能基體摻雜工藝優(yōu)化

依據(jù)前述試驗結(jié)果，固定PF含量為20%，將A含量從15%開始逐漸提高至36%，按照前述測試方法來研究同時添加兩種雜質(zhì)對含能基體力學性能和爆炸性能的影響。試驗結(jié)果分別如表6~7所示。

表6 兩種雜質(zhì)含量與含能基體力學性能的關(guān)系

Tab.6 The relationship between the content of two kinds of impurities and the mechanical properties of energetic base

表7 兩種雜質(zhì)含量與含能基體爆炸性能的關(guān)系

Tab.7 The relationship between the content of two kinds of impurities and the explosive properties of energetic base

根據(jù)表6可知，當PF含量為20%時，升溫固化后含能基體抗壓強度變化不大，均能承受7.5MPa左右的壓力。而由表7可以看出，同時添加A和PF后，當A含量為15%~21%之間時，爆炸殘渣均為粉末。當繼續(xù)提高A含量時，含能基體起爆后表現(xiàn)為半爆或爆燃。為保證含能基體全爆可靠性，將摻雜配比定為PF∶A∶G=20∶18∶62，在這個摻雜配比下，連續(xù)起爆5發(fā)含能基體，均能夠?qū)崿F(xiàn)全爆，試驗結(jié)果列于表8中。

表8 含能基體全爆穩(wěn)定性試驗結(jié)果

Tab.8 Test results of full explosion stability of energetic base

2.4 含能基體整體工藝定型

當含能藥劑配比為PF∶A∶G=20∶18∶62且只依靠PF自然固化時，含能基體只能承受7.83MPa壓力，這個抗壓能力不足以達到固沖發(fā)動機轉(zhuǎn)級隔板所要求的大于10MPa要求。由于多孔銅材質(zhì)為金屬，能夠直接進行加壓處理，可進一步提高其抗壓能力。

將摻雜藥劑填充到邊長為20mm×20mm塊狀多孔銅中，考慮到試驗安全性，選擇先加壓后升溫固化，將加壓壓力調(diào)整為10MPa，加壓示意圖如圖5所示。按照前述測試方法對加壓后含能基體的抗壓能力和爆炸性能進行考察，試驗結(jié)果分別如表9~10所示。

由表9~10試驗結(jié)果可知，加壓后的含能基體抗壓能力顯著提高，抗壓能力從7.5MPa提高到13.0MPa以上。隨著加壓后裝藥密度的提高，含能基體的平均爆速提高到3 026m/s，據(jù)此也可以大致推算出其它長度含能基體的作用時間。如當含能基體長度為80~90mm時，在相同材質(zhì)和裝藥條件下，總作用時間為26.4 ~29.7μs，相較于沖壓發(fā)動機堵蓋所要求的作用時間不超過200ms，更有利于轉(zhuǎn)級系統(tǒng)的及時接力工作。

圖5 含能基體加壓示意圖

表9 含能基體加壓后抗壓能力

Tab.9 The compressive strength of energetic base after appling pressure

表10 加壓對含能基體爆速的影響

Tab.10 The effect of pressure on the detonation velocity of energetic base

將上述含能基體爆炸后的殘渣收集起來，稱其重量為5.82g，過20目標準篩（網(wǎng)孔直徑為850μm），篩面下質(zhì)量為5.67g，篩面上質(zhì)量為0.15g，過篩率達到97.4%。進一步用激光粒度儀對其粒徑分布進行分析，殘渣實物圖與粒徑分布分別如圖6~7所示。

圖6 爆炸殘渣實物圖

圖7 殘渣粒徑分布圖

3 結(jié)論

在多孔銅中通過振動-固態(tài)填充法裝填混合藥劑（摻雜比例為PF∶A∶G=20∶18∶62）后，依次進行加壓固化和熱固化，得到的含能基體抗壓能力大于13MPa，能夠被小雷管可靠起爆，爆速為3 026 m·s-1，將其作為固沖發(fā)動機進氣道堵蓋的作用時間不超過30μs，這個作用時間對于固沖發(fā)動機轉(zhuǎn)級過程具有重要意義。同時，含能基體被起爆后殘渣粒徑小于1mm，不會對發(fā)動機燃燒室內(nèi)壁熱防護層以及尾噴管內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用。將這種含能基體作為固沖發(fā)動機進氣道堵蓋具有非常明顯的優(yōu)勢。

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Study on Performance Optimization of Energetic Base for the Port Cover in Solid Rocket-Ramjet Engine

JIANG Wen-huan1, CAI Jun-jun2, WEN Chong3

（1.No.710 R＆D Institute, CSIC, Yichang, 443003；2.Unit 96315 of PLA, Huaihua,418000;3.Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061）

To solve the existing problems of the air intake port cover material in solid rocket-ramjet engine, such as large ejetca size, long effect time and complex structure, a new kind of energetic composition material was developed in this paper. The energetic composite material was fabricated by filling pores of selected the porous copper which had special 3D mesh structure with explosives. Explosion property and mechanical performance were systematically studied. Influences of additives proportion and curing methods on detonation velocity, total effect time and compressive capacity of the energetic material were discussed in detail, so a kind of a superior port cover material which has wide application prospect was obtained. The results showed that the energetic base could be reliably initiated, its compressive capacity could reach to 13MPa, the detonation velocity was 3 026 m/s and the effect time was less than 30μs, as well as the particle size of the scraps was less than 1 mm. All these performance show that it had prominent advantages as a air intake ports cover in solid rocket-ramjet engine.

Porous materials；Energetic base；Port cover；Compressive capacity；Detonation velocity；Effect time

1003-1480（2017）03-0001-05

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.001

2017-02-15

姜文歡（1986 -），男，工程師，主要從事含能材料性能應(yīng)用研究。