雙脈沖內(nèi)埋點火方案初步探索

陳 樂，黃少波，沈 欣

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雙脈沖內(nèi)埋點火方案初步探索

陳 樂1，黃少波1，沈 欣2

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽，471009；2.中國人民解放軍駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，河南洛陽，471009）

針對雙脈沖固體火箭發(fā)動機，設(shè)計了一種適合于第2脈沖點火的內(nèi)埋點火方案。該方案采用環(huán)形點火器，藥粒狀的硼/硝酸鉀作為點火用藥，使用可燒蝕的高強度鋁合金材料作為點火器殼體。點火器承壓試驗表明：在第1脈沖工作過后，環(huán)形點火器結(jié)構(gòu)完整性，且點火過程無吹出物；此外，通過采用鈍感電點火管和靜電消除等方式保證了點火系統(tǒng)的安全性。

點火器；固體火箭發(fā)動機；雙脈沖；點火藥；壓力

與單室單推、單室雙推發(fā)動機相比，在發(fā)射重量和尺寸有嚴(yán)格限制的情況下，脈沖發(fā)動機通過優(yōu)化脈沖之間的點火時間，可在減小導(dǎo)彈飛行速度和氣動阻力的峰值、規(guī)避熱設(shè)計風(fēng)險的同時，合理分配飛行過程的能量，從而增加導(dǎo)彈的射程；同時，由于末速度的提高，導(dǎo)彈在末段具有足夠的機動能力以消除中制導(dǎo)誤差，對付在末段尋的飛行時目標(biāo)可能出現(xiàn)的規(guī)避機動[1]。目前，國外已有多個戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈采用了脈沖發(fā)動機，美國波音公司的防區(qū)外發(fā)射近程攻擊空地導(dǎo)彈SRAM-I和它的戰(zhàn)術(shù)型SRAM-T、意大利的Idra導(dǎo)彈、英國的ARAM導(dǎo)彈、德國的戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)（TLVS）均采用了脈沖固體火箭發(fā)動機，目前國內(nèi)尚未有脈沖發(fā)動機應(yīng)用于型號生產(chǎn)。

點火裝置是發(fā)動機的一個重要部件，其功能是為發(fā)動機點火提供能源，引燃發(fā)動機主裝藥，保證發(fā)動機正常工作。對于發(fā)動機第1脈沖，采用常規(guī)的點火器即可；但對于第2脈沖，其裝藥采用自由裝填的端燃藥柱，點火器只能安裝在藥柱頂端，同時要求其在第1脈沖工作時產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境過后，能夠安全、可靠、迅速地點燃發(fā)動機藥柱。所以，需要將第2脈沖點火器與第1脈沖工作空間隔開。軟隔層體積小，不需要支撐結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，可與發(fā)動機裝藥、點火器一體化設(shè)計，是一種較好的隔離方案。針對脈沖發(fā)動機第2脈沖點火，本文設(shè)計一種內(nèi)埋點火方案，將點火器內(nèi)埋于第2脈沖裝藥端面內(nèi)，能夠在脈沖發(fā)動機第1脈沖工作后，保證功能和機構(gòu)完整性，并且安全可靠點燃第2脈沖裝藥。目前該種點火方式在國內(nèi)屬于首次應(yīng)用。

1 方案綜述

針對脈沖發(fā)動機，內(nèi)埋點火技術(shù)的主要特點包括：（1）脈沖工作時壓強高，內(nèi)埋點火系統(tǒng)承受高載荷，結(jié)構(gòu)強度要求高；（2）端燃裝藥起始燃面小，點火延遲問題突出，點火系統(tǒng)與裝藥、隔層匹配性要求高；（3）吹出物限制嚴(yán)格，點火系統(tǒng)需在燃燒室內(nèi)燒掉，易燒蝕特性要求高。針對以上特點，本方案中點火器外殼采用耐壓可燒蝕金屬材料，一方面可承受來自第1脈沖工作產(chǎn)生的高壓，保證點火器可靠安全工作；另一方面，點火器工作后殘骸能夠迅速燃燒，不產(chǎn)生過大吹出物。除此之外，增加點火藥量，采用低壓易點燃、產(chǎn)氣量高的點火藥，同時針對裝藥端面燃燒的特點，注重設(shè)計點火器燃氣噴射形式，使點火器燃氣直接噴射在裝藥側(cè)表面上，提高點火可靠性。

內(nèi)埋點火器采用環(huán)形/盤形設(shè)計，內(nèi)埋在裝藥與軟隔層之間，采用環(huán)氧樹脂膠將點火器粘接在點火器安裝槽內(nèi)部固化，工作后要求能夠打開軟隔層，并在規(guī)定時間內(nèi)點燃端燃藥柱。以環(huán)形點火器為例，圖1為點火器與藥柱、側(cè)面包覆層、軟隔層之間的位置關(guān)系圖。

圖1 內(nèi)埋點火器位置示意圖

2 點火藥選擇及藥量計算

點火藥是點火能量釋放系統(tǒng)的核心，對于空空導(dǎo)彈使用的煙火劑型點火裝置，應(yīng)用較多的是黑火藥、硼/硝酸鉀、鎂/聚四氟乙烯。黑火藥因為其能量不高，多用于點燃雙基型固體推進劑藥柱；硼/硝酸鉀和鎂/聚四氟乙烯屬于高能點火藥，可用于復(fù)合推進劑點火，兩者性能對比見表1。

表1 兩種高能點火藥性能對比[2-3]

Tab.1 Performance comparison of two high energy ignition powder

通過表1可知，硼/硝酸鉀燃氣中氣體含量較多，點火時間短，低壓下容易點燃，其原材料易得、穩(wěn)定性好、易于成型，并且藥柱強度高、抗磨性好、火焰感度高、容易被點燃，適合高空點火及自由容積較大的固體火箭發(fā)動機；鎂/聚四氟乙烯燃氣中氣體含量較小，點火時間長，點火壓力較高，壓制成型的點火藥點火敏感性低，可用于自由容積較小的固體火箭發(fā)動機點火。第2脈沖點火時，其自由容積較大，需要較多的燃氣迅速建立壓強，在較小的點火壓強下點燃端燃藥柱，通過對比以上兩種高能點火藥，首選硼/硝酸鉀作為點火用藥。

工程實際中影響點火性能的因素眾多，如藥柱初溫、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)均對點火性能產(chǎn)生不同程度的影響，這些因素相互關(guān)聯(lián)，在不同條件下所起的作用相差很大，所以工程上采用經(jīng)驗公式來初步確定點火藥量，再通過一定的試驗來調(diào)整。式（1）[2]比較適合空空導(dǎo)彈發(fā)動機點火藥量的估算：

式（1）中：W為點火藥量，kg；Q為推進劑爆熱，kJ/kg；Q為點火藥爆熱，kJ/kg；為藥型系數(shù)，取0.35～0.65，藥型越復(fù)雜系數(shù)讀取值越?。粸樗幹L徑比；T為發(fā)動機最低使用溫度，℃；P為臨界壓強，一般取156.8×104N/m2；A為初始燃燒面積，m2；g為重力加速度，9.8 m/s2；K為面喉比；為推進劑密度，kg/m3；V為自由容積，m3。

本方案中取0.5，根據(jù)式（1）計算點火藥量為172g，實際藥量要比計算出的藥量多10%～20%，以保證在低溫條件下點火延遲時間滿足要求，同時在高溫下不會產(chǎn)生過高的點火壓強峰。

實際應(yīng)用中，第2脈沖點火過程比一般的點火復(fù)雜，點火器工作初始階段，軟隔層包覆的小空間內(nèi)壓力升高，這有助于點燃端燃藥柱，但是很快隨著壓力的升高，軟隔層打開，發(fā)動機后半段整個空間與點火空間連通，這時點火壓強迅速下降，初步點燃的端燃藥柱將有可能熄滅，這將導(dǎo)致點火延遲時間增加。因此，目前擬采用增加點火器點火藥量來解決，本次設(shè)計中將點火藥量初步定為230g。

3 點火器結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)發(fā)動機第1脈沖工作時，將對第2脈沖產(chǎn)生高溫高壓氣流，高溫氣流通過軟隔層來抵擋，而高壓需要點火器承受，在高壓過后，點火器性能不能影響第2脈沖點火，更不能在壓力產(chǎn)生過程中，第2脈沖點火器自燃。這就要求點火器殼體盡可能地使用抗壓材料，材料厚度越大越好。但是，點火器需要點燃端燃藥柱，這需要點火器殼體盡可能地薄，所以點火器殼體尺寸需要通過實驗仿真等各種手段來加以確認(rèn)。第2脈沖開始工作時，點火器處于端燃藥柱頂端，端燃藥柱產(chǎn)生的高溫高壓氣流將推動點火器殘骸從噴管處噴出，如果殘骸未充分燃燒或者過大，就會對噴管產(chǎn)生負(fù)面影響，從而影響發(fā)動機工作性能。

根據(jù)上述分析可知，第2脈沖點火器殼體需要承受第1脈沖工作壓強而不變形，同時在第2脈沖裝藥點火后需要燒蝕，且不產(chǎn)生影響發(fā)動機安全工作的噴出物，既需要具有一定的結(jié)構(gòu)強度，也需要具有較低的熔點。本方案初步選用材料為鋁合金。鋁合金作為最輕的商用工程結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高、鑄造成型性好、阻尼吸震降噪性能優(yōu)越、電阻屏蔽性能強、機加工表面裝飾性能良好等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車電子和航空領(lǐng)域。該鋁合金經(jīng)過熱處理后，抗拉強度達到300MPa。環(huán)形點火器殼體厚度2mm，結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了增加點火藥量，有效利用點火器內(nèi)部空間，點火藥采用粒狀硼/硝酸鉀。計算仿真表明，當(dāng)?shù)?脈沖裝藥工作產(chǎn)生的高壓平均作用在點火器上，如圖3所示，點火器殼體選用屈服強度大于250MPa的鋁合金材料時，能夠保證點火器在第1脈沖產(chǎn)生小于15MPa的壓強下保持結(jié)構(gòu)完整，變形量小。

圖2 點火器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 應(yīng)力分布圖

4 點火系統(tǒng)安全性設(shè)計

點火系統(tǒng)的安全性涉及到整個導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的安全性，借鑒已批產(chǎn)型號點火系統(tǒng)設(shè)計[4]，電路連接圖如圖4所示。采用短路插座對電點火管進行短路，電點火管應(yīng)滿足GJB 344A規(guī)定的1A1W鈍感性能要求[5]，橋路電阻為（1±0.2）Ω；絕緣電阻不小于20MΩ (DC500V/2min)；高溫（+65°C）、低溫（-50°C）條件下應(yīng)均能發(fā)火，發(fā)火延遲時間不大于30ms。

圖4 接線示意圖

點火器所用點火藥為硼/硝酸鉀，應(yīng)符合GJB 6217-2008[6]規(guī)定。在點火插座與電連接器之間增加點火電路盒，內(nèi)含濾波器、靜電泄放電阻、限流電阻、繼電器等，濾波器用以在30×10-6～40GHz的范圍內(nèi)提供至少40dB的衰減；限流電阻用以控制點火電流在點火管工作要求范圍內(nèi)，且在接收足夠大的點火電壓（≮18V）后接通點火電路，靜電泄放電阻用以消除靜電干擾。以上安全措施已成功應(yīng)用于多種型號固體火箭發(fā)動機點火方案設(shè)計中。

5 試驗驗證

5.1 點火器承壓試驗

依據(jù)以上設(shè)計，研制點火器樣件，點火藥量控制在220～240g之間，殼體材料使用鋁合金，電點火管采用之前型號用鈍感電點火頭。使用雙脈沖縮比樣機，將點火器內(nèi)埋于第2脈沖裝藥內(nèi)，藥柱側(cè)向和端面均使用軟隔層與第1脈沖燃燒室隔離，當(dāng)點燃第1脈沖裝藥后，產(chǎn)生的高溫高壓燃氣將間接作用在第2脈沖點火器上，以考核點火器承壓性能；同時為保證足夠的設(shè)計余量，試驗中第1脈沖裝藥采用高燃速藥，增大第1脈沖燃燒時作用在第2脈沖點火器上的壓強。第1脈沖點火時的壓強曲線及試驗后第2脈沖點火器照片見圖5。

圖5 壓強曲線及試驗后第2脈沖點火器照片

從圖5壓力曲線可以看出，點火試驗中燃燒室內(nèi)最高壓力22.6MPa，最小壓力15.8MPa，高壓持續(xù)時間 7.2s；試驗后第2脈沖點火器結(jié)構(gòu)完整，點火器內(nèi)部藥粒無明顯損傷，保證了在正常情況（15MPa）時，第2脈沖點火器的結(jié)構(gòu)完整。

5.2 無吹出物試驗

使用5.1試驗后的點火器，重新內(nèi)埋于第2脈沖裝藥內(nèi)，對其承壓后的點火性能進行考核，同時考核其燃燒后是否存在影響發(fā)動機工作的吹出物。點火及推力壓強曲線見圖6。

由圖6可以看出，從第2脈沖點火器發(fā)火到二脈沖發(fā)動機工作完成，整個過程中無肉眼可見的噴出物；同時試驗曲線平滑無毛刺，表明發(fā)動機噴口處無影響發(fā)動機工作的噴出物。

圖6 點火試驗照片及推力、壓強曲線

6 結(jié)論

針對雙脈沖發(fā)動機，設(shè)計了一種環(huán)形點火器，采用鋁合金作為外殼，硼/硝酸鉀作為點火藥，內(nèi)埋于第2脈沖發(fā)動機裝藥內(nèi)。通過理論計算及試驗驗證，能夠得出：點火器直接內(nèi)埋在裝藥表面，具有較高的安全性、可靠性；點火器具有較高的抗高溫、高壓的沖擊能力，能夠承受第1脈沖工作產(chǎn)生的高載荷，且不影響其點火性能；點火器在第2脈沖高溫燃氣中快速燒蝕，不會整體脫落或呈片狀脫落，解決了發(fā)動機工作的吹出物問題。

[1] 孫超,張琳,等.雙脈沖固體火箭發(fā)動機概況[J].飛航導(dǎo)彈，2013(8):72-77.

[2] 謝文超,徐東來,等.空空導(dǎo)彈推進系統(tǒng)設(shè)計[M].長沙:國防工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3] 王凱民.軍用火工品設(shè)計技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2006.

[4] 黃少波.空空導(dǎo)彈發(fā)動機點火系統(tǒng)安全性設(shè)計[J].航空兵器，2008(1):26-30.

[5] GJB 344A-2005 鈍感電起爆器通用規(guī)范[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,2005.

[6] GJB 6217-2008硼/硝酸鉀點火藥規(guī)范[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,2008.

Exploration on Igniter Buried within the Double-pulse Engine

CHEN Le1，HUANG Shao-bo1，SHEN Xin2

（1.China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009；2. PLA’s Military Representative Office in China Airborne Missile Acedemy, Luoyang, 471009）

Aimed at the double-pulse engine, a buried igniter fit to the second pulse ignition was designed. The annular structure igniter was adopted, and granulose B/KNO3was used as ignition powder, the aluminum alloy with thermal ablation and high strength was used as shell material. The pressure test for igniter indicated that the igniter was integrated after the first pulse, and no substance was blown out during ignition. Meanwhile, by use of insensitive electric igniter and electrostatic elimination, the security of ignition system was ensured.

Igniter；Solid rocket motor；Double-pulse；Ignition powder；Pressure

1003-1480（2017）04-0009-04

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.04.003

2017-06-11

陳樂（1986 -），男，工程師，主要從事火工品技術(shù)研究。