高能少煙推進劑應(yīng)用參數(shù)反演研究

呂 帥

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

空空導(dǎo)彈要求響應(yīng)速度快、使用便捷、質(zhì)量小、抗過載能力強、工作穩(wěn)定可靠、隱身性能好和耐大溫差使用環(huán)境等的使用條件，要求質(zhì)量占50%以上的動力系統(tǒng)的能量來源優(yōu)先采用高能少煙推進劑。高能少煙推進劑具備高能量、低特征信號、抗大過載、耐大溫差和高工作壓強等使用特性[1]。

目前，國內(nèi)適合空空導(dǎo)彈的成熟高性能推進劑較單一，在新型的性能先進的空空導(dǎo)彈研制前期，對作為其動力系統(tǒng)的發(fā)動機推進劑做預(yù)先研究，并進行改進提高，研制出性能穩(wěn)定的高能少煙推進劑，是非常必要也是非常重要的。本文就推進劑燃速、比沖、壓強指數(shù)和低溫性能等主要應(yīng)用參數(shù)，在試驗的基礎(chǔ)上，通過擬合分析進行參數(shù)反演，向推進劑研制單位提出參數(shù)改進要求，以滿足空空導(dǎo)彈的應(yīng)用需求[2]。

1 研究方法和研究重點

針對為新型的性能先進的空空導(dǎo)彈研制開發(fā)高性能動力系統(tǒng)為應(yīng)用背景，開展推進劑的前期應(yīng)用研究。研究步驟如下：1)根據(jù)實際需求，選取性能較為優(yōu)越、使用條件較為符合的推進劑；2)依據(jù)廠家提供的性能參數(shù)，結(jié)合使用要求(主要是工作壓強、溫度等)做初步設(shè)計，并進行內(nèi)彈道理論計算；3)進行試驗，分析試驗結(jié)果，得出推進劑的實際性能參數(shù)；4)通過擬合分析進行參數(shù)反演，得出仿真計算結(jié)果，與試驗結(jié)果進行對比，得出參數(shù)指標(biāo)的偏差情況；5)推進劑生產(chǎn)廠家依據(jù)上述參數(shù)對推進劑做改進研制；6)經(jīng)過反復(fù)幾輪優(yōu)化過程，直到推進劑的參數(shù)指標(biāo)滿足要求，并可以應(yīng)用到工程研制中。

整個優(yōu)化過程及研究重點如圖1所示。

2 研究范例

根據(jù)空空導(dǎo)彈對推進劑的高能、低特征信號的要求及國內(nèi)推進劑現(xiàn)狀，選取高能少煙縮水甘油疊氮基聚醚推進劑(GAP)復(fù)合推進劑(以下簡稱A產(chǎn)品)和高能少煙改性雙基推進劑(以下簡稱B產(chǎn)品)進行研究。

圖1 優(yōu)化過程及研究重點流程圖

A產(chǎn)品由新的含能粘合劑、含能增塑劑及氧化劑組成。其既能提高推進劑比沖，又能減少排氣尾煙。B產(chǎn)品是在固體火箭發(fā)動機上應(yīng)用較早的推進

劑，在火箭彈、炮彈和各種小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機上獲得廣泛應(yīng)用。這種推進劑成本低，三氧化二鋁含量低(1.5%)，尾煙少；但貼壁澆注困難。由于這2種推進劑具有各自優(yōu)缺點，對這2種不同體系的推進劑同時進行應(yīng)用研究，分別挖掘兩者的潛在優(yōu)勢，并作比較，最后從綜合性能和成熟性等方面綜合考量，以期取其優(yōu)者應(yīng)用到新型號研制中。下面就從幾個典型的試驗考核過程出發(fā)，對推進劑做性能分析與型號應(yīng)用的預(yù)先研究。

3 試驗發(fā)動機的設(shè)計

采用常用的φ130試驗發(fā)動機(見圖2)，帶測壓孔。采用石墨噴管。裝藥可采用自由裝填式或貼壁澆注式。藥型的具體結(jié)構(gòu)經(jīng)過下面的理論計算來確定。

圖2 φ130試驗發(fā)動機剖面圖

4 理論計算

4.1 內(nèi)彈道曲線和藥型設(shè)計

采用典型的馬鞍型內(nèi)彈道曲線和成熟的七角星型裝藥[3]，理論內(nèi)彈道曲線及藥型截面圖如圖3所示。

圖3 理論內(nèi)彈道曲線及藥型截面圖

4.2 參數(shù)確定及計算

主要計算公式如下[4]：

r=aPn

(1)

(2)

(3)

式中，P是壓強；a是燃速系數(shù)；ρ是推進劑密度；C*是特征速度；Ab是燃面；At是噴管喉部面積；n是壓強指數(shù)；Ip是比沖；CF是推力系數(shù)；r是推進劑燃速。

廠家提供的數(shù)據(jù)包括比沖Ip、燃速r(6 MPa條件下)、壓強指數(shù)n和密度ρ等。φ130發(fā)動機藥型確定后，初始燃面Ab0也就確定了，擴張比對于推進劑能量發(fā)揮的充分與否有關(guān)，空空導(dǎo)彈擴張比約為1.5～8，采用4這個擴張比值適中。

據(jù)式1算出燃速系數(shù)a。預(yù)估計算時推力系數(shù)CF取1.5，據(jù)式2算出特征速度C*。結(jié)合對實際需要的平均工作壓強取一個值(典型的高壓段為8～16 MPa，低壓段為3～6 MPa)，根據(jù)式3得出At，可進一步算出喉徑rt[5]。

4.3 內(nèi)彈道仿真計算

目前國內(nèi)固體火箭發(fā)動機內(nèi)彈道仿真計算軟件比較多，基本都遵循平行層燃速原理，結(jié)合設(shè)計的藥柱具體內(nèi)型面等幾何尺寸進行建模，對推進劑主要參數(shù)進行反演。本文采用專業(yè)軟件工具(固體火箭發(fā)動機計算機輔助設(shè)計軟件SRMCAD)來進行內(nèi)彈道仿真計算。

4.3.1 推進劑性能參數(shù)

A產(chǎn)品和B產(chǎn)品廠家提供的推進劑性能參數(shù)見表1，其中B產(chǎn)品包括螺壓藥柱和粒鑄藥柱等2種裝藥工藝產(chǎn)品。

表1 推進劑性能參數(shù)(廠家提供)

4.3.2 內(nèi)彈道曲線

按照A產(chǎn)品和B產(chǎn)品廠家提供的參數(shù)，得出理論內(nèi)彈道曲線圖如圖4所示。

圖4 理論內(nèi)彈道曲線

根據(jù)實際參數(shù)(推進劑參數(shù)等)及工作需求(工作壓強等)做的合理假設(shè)和計算，保證了內(nèi)彈道與實際工作狀態(tài)比較接近，使推進劑性能考核具有針對性和實際參考價值。

5 試驗數(shù)據(jù)

5臺A產(chǎn)品和B產(chǎn)品發(fā)動機主要參數(shù)見表2，點火試驗數(shù)據(jù)見表3。其中，A-1發(fā)動機低溫-50 ℃點火0.1 s爆炸，A-2發(fā)動機在工作接近結(jié)束時喉襯碎裂被打出。

表2 A產(chǎn)品和B產(chǎn)品發(fā)動機的主要參數(shù)

表3 A、B產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)

6 參數(shù)反演與試驗結(jié)果的對比分析[6]

6.1 A產(chǎn)品分析

對于A-1產(chǎn)品低溫-50 ℃點火試驗，發(fā)動機的點火延遲時間約為0.087 s，在1.02 s時發(fā)動機還未正常建壓就發(fā)生了爆炸，說明A產(chǎn)品低溫性能不能滿足空空導(dǎo)彈-50 ℃的使用要求，需提高A產(chǎn)品低溫工作性能。

對于A-2產(chǎn)品常溫+23 ℃點火試驗，壓強曲線對比圖如圖5所示。通過對比分析可知，曲線1較曲線3整體高出25%～40%且抬升快，推進劑實際燃速和壓強指數(shù)比廠家提供的高。通過曲線2仿真計算得出，推進劑實際燃速為13 mm/s, 壓強指數(shù)為0.48(對應(yīng)壓強為10～23 MPa)。

圖5 壓強曲線對比(A-2)

石墨噴管在壓強約為23.7 MPa時破碎被打出，主要由于石墨結(jié)構(gòu)完整性在高壓下被破壞，而石墨破碎的原因是否與使用的這種高能少煙推進劑有關(guān)，需要做更多的試驗來驗證、分析。

綜上，A產(chǎn)品壓強指數(shù)過高，壓力曲線抬升太快，使初始壓強和最高壓強相差太大，不利于發(fā)動機燃燒室壁厚的減重設(shè)計，同時，壓強太高對于發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計、密封設(shè)計、殼體設(shè)計和噴管設(shè)計等都會帶來不利影響；因此，A產(chǎn)品需降低壓強指數(shù)。

6.2 B產(chǎn)品分析

對3臺B產(chǎn)品發(fā)動機試驗曲線與理論仿真曲線進行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 理論曲線與試驗曲線的仿真

通過分析可知：1)B-1、B-2采用螺壓工藝裝藥的內(nèi)彈道與預(yù)期比較符合，廠家提供的參數(shù)與實際試驗狀態(tài)對應(yīng)的推進劑性能參數(shù)基本一致;2)B-3采用粒鑄工藝裝藥的內(nèi)彈道與預(yù)期偏差較大，通過仿真計算得出實際壓強指數(shù)為0.57，燃速為14.5 mm/s(10 MPa)。

6.3 分析結(jié)論

通過推進劑參數(shù)反演與試驗結(jié)果的對比分析，結(jié)合試驗現(xiàn)象，可以得出如下結(jié)論。

1)A產(chǎn)品。優(yōu)點：鋁粉含量為1%，尾煙極少。缺點：壓強指數(shù)稍偏高；推進劑的低溫力學(xué)性能較差；高壓條件下燃速增加較大。A產(chǎn)品裝藥在降低壓強指數(shù)、提高低溫力學(xué)性能和控制燃速等方面還需要進一步的研究。由于發(fā)動機沒有正常工作結(jié)束，所以沒能考核出推進劑的能量特性。

2)B產(chǎn)品。優(yōu)點：三氧化二鋁含量為1.5%，尾煙極少；螺壓裝藥工藝燃速控制相對穩(wěn)定。缺點：壓強指數(shù)較高；粒鑄裝藥工藝高壓條件下燃速增加較大；穩(wěn)定工作的壓強適應(yīng)范圍較窄，中壓(10 MPa左右)工作相對穩(wěn)定；低壓(≤5 MPa)能量水平較低。B產(chǎn)品裝藥在降低壓強指數(shù)、控制燃速等方面還需要進一步的研究。高溫及低溫情況下的性能考核還未開展，尚需進一步研究。

7 結(jié)語

綜上分析，目前的A產(chǎn)品和B產(chǎn)品從數(shù)據(jù)(高壓比沖大等)和試驗現(xiàn)象(噴管尾部燃氣流激波明顯，且煙很少)看，符合高能、少煙的特性；但是，2種推進劑都尚不能完全滿足空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機的使用要求。需要裝藥廠家重點對推進劑壓強指數(shù)控制及低溫性能做進一步的研究改進，并進行充分的試驗驗證考核，以期優(yōu)化研制出高性能推進劑，應(yīng)用到新型號研制中。

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

[2] 李宜敏.固體火箭發(fā)動機原理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

[3] 鮑福廷. 固體火箭發(fā)動機概念設(shè)計 CAD 專家系統(tǒng)設(shè)計[J].推進技術(shù)，1998(3):17-20.

[4] 王元有.固體火箭發(fā)動機設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[5] 方國堯，張中欽.固體火箭發(fā)動機總體優(yōu)化設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[6] 陳汝訓(xùn).固體火箭發(fā)動機設(shè)計與研究[M].北京：宇航出版社，1992.