增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)點傳火研究

劉君閣，趙變玲，孫振興

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增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)點傳火研究

劉君閣，趙變玲，孫振興

（遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧 撫順，113003）

為使增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)可靠、平穩(wěn)工作，提出了一種后置射流點火具（鋯系藥）點燃前置射流點火具（鋯系藥）的點傳火技術(shù)，進(jìn)行了點傳火系統(tǒng)總體、前置射流點火具、后置射流點火具、點火、傳火及裝藥設(shè)計，進(jìn)行了點火具射流長度、射流時間、射流流量、靜態(tài)、動態(tài)及點傳火系統(tǒng)——曲線等對比測試。試驗結(jié)果表明：射流點火具（鋯系藥）具有輸出性能穩(wěn)定、射流流量較大的射流點火特性，在點傳火系統(tǒng)中能使前置射流點火具（鋯系藥）迅速穩(wěn)定建壓，輸出較大、穩(wěn)定的射流流量，使火箭發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作。

射流點火具；點火；傳火；射流流量；——曲線

為提高炮彈射程，通常在彈尾增加底排和火箭發(fā)動機(jī)，這種炮彈稱之為底排火箭復(fù)合增程彈。底排和火箭發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性直接影響增程彈的射程和密集度，而火箭發(fā)動機(jī)的點傳火性能直接影響火箭發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性。

對于增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)的點火有兩種形式：一種是藥盒式點火，另一種是射流點火具點火。研究結(jié)果表明，射流點火具能可發(fā)靠點燃火箭發(fā)動機(jī)，射流點火具的工作曲線與火箭發(fā)動機(jī)的工作曲線擬合光滑、平穩(wěn)，發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定[1]。對于增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)的點傳火也有兩種形式：一種是（延期）點火具點燃后置藥盒，后置藥盒再點燃前置藥盒（前置藥包），其綜合能量點燃火箭發(fā)動機(jī)裝藥；另一種是（延期）射流點火具點燃前置藥盒（前置藥包），其綜合能量點燃火箭發(fā)動機(jī)裝藥。

本文通過分析對比后置、前置兩種射流點火具在不同種類藥劑條件下的射流性能，提出了后置射流點火具點燃前置射流點火具的點傳火系統(tǒng)方案，并經(jīng)過輸出性能測試，驗證了點傳火系統(tǒng)作用可靠性，為增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)可靠、平穩(wěn)工作提供技術(shù)參考依據(jù)，在一定程度上保證了增程炮彈的射程可靠性和密集度。

1 設(shè)計

1.1 點傳火系統(tǒng)

進(jìn)行了增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)點傳火系統(tǒng)原理性結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。

圖1 點傳火系統(tǒng)原理性結(jié)構(gòu)圖

圖1所示的點傳火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由管體、前后2種座體、2種射流點火具或前置藥包組成，2種射流點火具的距離為200mm、管體內(nèi)徑為15mm。在炮彈總體設(shè)計中，后置射流點火具位于火箭發(fā)動機(jī)噴喉部位。

點傳火系統(tǒng)作用原理為：外界火焰通過傳火孔點燃后置射流點火具，后置射流點火具工作后輸出射流點焰前置射流點火具，前置射流點火具工作后輸出較大流量射流，進(jìn)而點燃火箭發(fā)動機(jī)裝藥，使火箭發(fā)動機(jī)工作。

1.2 后置射流點火具

后置射流點火具由管殼、綢墊、點火藥和閉氣片組成，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 后置射流點火具

圖2中點火藥Ⅰ為硼系藥，用于接收外界火焰能量，燃燒并點燃點火藥Ⅱ；點火藥Ⅱ為鋯系藥（藥量1.8g）或鎂系藥(1.2g)，點火藥Ⅱ為環(huán)形裝藥，藥柱中心有孔，燃燒后形成射流，以點燃前置射流點火具。

1.3 前置射流點火具

前置射流點火具由管殼、綢墊、噴嘴、點火藥和惰性藥組成，結(jié)構(gòu)見圖3。圖3中點火藥Ⅰ為硼系藥，用于接收后置射流點火具輸出能量，燃燒并點燃點火藥Ⅱ；點火藥Ⅱ為鋯系藥（藥量為2.1g），燃燒后迅速形成較大能量射流，使火箭發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作。

圖3 前置射流點火具

1.4 前置藥包

前置藥包由綢布、五類黑火藥、鎂粉和聚四氟乙烯組成，藥量1.5g。

2 試驗與結(jié)果分析

根據(jù)炮彈火箭發(fā)動機(jī)具有高速旋轉(zhuǎn)的工作特性，以及前置射流點火具、后置射流點火具的工作原理，分別進(jìn)行了后置射流點火具靜態(tài)點火試驗，前置射流點火具的靜態(tài)和高速旋轉(zhuǎn)下的點火、輸出特性試驗，前置射流點火具、后置射流點火具匹配性試驗，以及后置射流點火具點燃前置藥包匹配性試驗。試驗條件：制式電點火頭，發(fā)火電流1.2A，常溫。

2.1 后置射流點火具靜態(tài)對比試驗

進(jìn)行了后置射流點火具中點火藥Ⅱ為鋯系藥（藥量1.8g）和鎂系藥(1.2g)的靜態(tài)對比試驗，結(jié)果見表1及圖4。

表1 后置射流點火具靜態(tài)對比試驗

Tab.1 Static tests results of postpositive jet igniter

注：為射流時間；為射流長度；為射流直徑。

圖4 后置射流點火具靜態(tài)試驗

表1靜態(tài)試驗結(jié)果和圖4表明：（1）兩種射流點火具平均射流時間分別為249ms和950ms，差異較大，但均有足夠的射流點火時間；（2）兩種射流點火具射流長度分別為775mm和475mm，差異較大，對于裝藥長度200mm的火箭發(fā)動機(jī)，均有足夠的射流長度裕度；（3）射流直徑分別為20～230mm和20～185mm，差異同樣較大，但均大于噴管內(nèi)徑15mm，均有足夠的徑向點火能力。

雖然這3項性能參數(shù)均能滿足要求，但射流流量是衡量射流點火具的一個重要參數(shù)，裝填鋯系藥的射流點火具平均射流流量為7.2g/s，而裝填鎂系藥的射流點火具平均射流流量僅有1.5g/s。綜合分析，射流點火具（鋯系藥）具有平穩(wěn)、可靠的射流點火性能。

2.2 前置射流點火具靜態(tài)、動態(tài)試驗

動態(tài)試驗是在變頻主軸和變頻器試驗平臺進(jìn)行的，通過電壓調(diào)頻調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速設(shè)定為18 000轉(zhuǎn)/min。前置射流點火具靜態(tài)、動態(tài)試驗各5發(fā)，結(jié)果見表2及圖5。

表2 前置射流點火具靜態(tài)、動態(tài)試驗結(jié)果

Tab.2 Static and dynamic tests results of propositive jet igniter

注：為射流時間；為射流長度；為射流直徑。

圖5 前置射流點火具靜態(tài)和動態(tài)試驗

表2結(jié)果和圖5表明：（1）靜態(tài)和動態(tài)試驗對射流點火具射流時間基本無影響，平均時間約為350ms；（2）靜態(tài)和動態(tài)試驗對射流點火具的射流長度和射流直徑有影響，射流長度由靜態(tài)的1 412mm縮短到動態(tài)的1 130mm，射流直徑也由靜態(tài)的92～490 mm減少到84～350mm。分析這種變化的影響因素是來源于靜態(tài)空氣對高速旋轉(zhuǎn)射流構(gòu)成了較大的空氣阻力。

2.3 點傳火系統(tǒng)P——t試驗

2.3.1前置、后置射流點火具（鋯系藥）

點傳火試驗結(jié)果見表3及圖6。

表3 前置、后置射流點火具（鋯系藥）——試驗結(jié)果

Tab.3 P——t curves of propositive and postpositive jet igniter（charged Zr powder）

注：1為后置射流點火具壓強(qiáng)與前置射流點火具壓強(qiáng)交點處壓強(qiáng)；1為從壓強(qiáng)開始上升到后置射流點火具壓強(qiáng)與前置射流點火具壓強(qiáng)交點處時間；2為最大壓強(qiáng)；2為從壓強(qiáng)開始上升到最大壓強(qiáng)時間（以下表中相同）。

圖6 前置、后置射流點火具（鋯系藥）P——t試驗曲線

2.3.2 前置射流點火具（鋯系藥）、后置射流點火具（鎂系藥）

前置射流點火具（鋯系藥）與后置射流點火具（鎂系藥）點傳火試驗結(jié)果見表4及圖7。

表4 前置射流點火具（鋯系藥）與后置射流點火具（鎂系藥）——試驗結(jié)果

Tab.4 P——t curves of propositive jet igniter（charge Zr powder）and postpositive jet igniter (charge Mg powder)

圖7 前置射流點火具（鋯系藥）、后置射流點火具（鎂系藥）P——t試驗曲線

2.3.3 前置藥包、后置射流點火具（鎂系藥）

前置藥包與后置射流點火具（鎂系藥）點傳火結(jié)果見表5及圖8。

圖8 前置藥包、后置射流點火具（鎂系藥）P——t試驗

表5 前置藥包、后置射流點火具（鎂系藥）——試驗結(jié)果

Tab.5 P——t curves of propositive charge and postpositive jet igniter（charged Mg powder）

2.4 結(jié)果分析

對不同點火系統(tǒng)下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，如表6所示。

表6 不同點火系統(tǒng)條件下——試驗結(jié)果統(tǒng)計表

Tab.6 P——t curves of the different propositive and postpositive jet igniters

從表6數(shù)據(jù)可以看出：（1）序號1的1平均值為1.0MPa，大于序號2及3的平均值0.19MPa和0.32MPa；序號1的1平均值為18ms、偏差為3.0ms，均小于序號2及3的平均值41.7ms和161ms及偏差11.2ms和91ms。后置射流點火具壓強(qiáng)開始下降且與前置射流點火具壓強(qiáng)上升曲線交點的1和1是火工品點傳火一個重要參數(shù)，1大小要合適，偏差越小點傳火性能越穩(wěn)定，1越小、偏差越小，點傳火性能越穩(wěn)定。數(shù)據(jù)表明，用前置、后置兩個裝填鋯系點火藥的射流點火具進(jìn)行點傳火，點傳火系統(tǒng)建壓迅速、一致性好、穩(wěn)定性強(qiáng)。

（2）序號1的最大平均壓強(qiáng)2為1.38MPa，從壓強(qiáng)開始上升到最大壓強(qiáng)的平均時間為52ms，最大壓強(qiáng)偏差和對應(yīng)時間偏差小，分別為0.14MPa和2.1ms。而序號2、3中用后置射流點火具（鎂系藥）點燃前置射流點火具（鋯系藥）或前置藥包，最大壓強(qiáng)平均值偏小，為0.58MPa，偏差為0.24MPa，或最大壓強(qiáng)平均值偏大7.59MPa，偏差為0.61MPa，從壓強(qiáng)開始上升到最大壓強(qiáng)的平均時間分別為226ms、偏差28ms和274ms、偏差86ms。數(shù)據(jù)表明，用前置、后置兩個鋯系藥射流點火具進(jìn)行點傳火，點傳火系統(tǒng)輸出壓強(qiáng)穩(wěn)定、作用時間長短合適且穩(wěn)定，點燃火箭發(fā)動機(jī)一致性好、穩(wěn)定性強(qiáng)，發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過增程炮彈火箭發(fā)動機(jī)點傳火研究，得到結(jié)論如下：（1）后置射流點火具（鋯系藥）的射流時間、射流長度、射流直徑等性能穩(wěn)定、可靠，特別是射流流量特性明顯，平均射流流量達(dá)到7.2g/s，具有顯著的射流點火特性。（2）用后置射流點火具（鋯系藥）點焰前置射流點火具（鋯系藥）進(jìn)行點傳火，具有顯著的射流點傳火特性，后置射流點火具壓強(qiáng)開始下降且與前置射流點火具壓強(qiáng)上升曲線交點的壓強(qiáng)大小合適，曲線交點時間為18ms，偏差只有3.0ms，點傳火平穩(wěn)、一致。（3）用前置、后置兩個鋯系藥射流點火具進(jìn)行點傳火，點傳火系統(tǒng)輸出壓強(qiáng)穩(wěn)定、作用時間長短合適且穩(wěn)定，點燃火箭發(fā)動機(jī)一致性好、穩(wěn)定性強(qiáng)，發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定。

[1] 劉君閣,甄家強(qiáng),齊忠良,等.射流點火具的設(shè)計與研究[J].火工品,2013(4):10-14.

[2] 馬龍澤,余永剛.底排點火具在大氣中燃燒火焰擴(kuò)展特性[J].含能材料,2017,25(12):983-990.

[3] 蔡瑞嬌.火工品設(shè)計原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 1999.

Study on Ignition and Burning Propagation of Rocket-Engine of Extended Range Projectiles

LIU Jun-ge，ZHAO Bian-ling，SUN Zhen-xing

(Liaoning North Huafeng Special Chemistry Co.Ltd.，F(xiàn)ushun，113003)

Aimed at the reliable and steady function of rocket engine, a kind of ignition and burning propagation technology based on jet igniter(charged Zr powder) was proposed, the whole system, propositive jet igniter, postpositive jet igniter, ignition, burning propagation and charge were designed, the tests of jet length, jet time, jet flow, static, dynamic, and——curves were also carried out. The results showed that the output performance of jet igniter(charged Zr powder) is stable, and has large jet flow, in the ignition and burning propogation system, the pressure of propositive jet igniter(charged Zr powder) can be established quickly, and has stable large jet flow, which would make the rocket engine work steadily.

Jet igniter；Ignition；Burning propagation；Jet flow；——curves

1003-1480（2018）06-0005-04

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.002

2018-09-21

劉君閣（1960-），男，研究員級高級工程師，從事火工品技術(shù)研究工作。