小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能試驗(yàn)研究

李 建，吳飛春，刁吉陽(yáng)，張 建，徐秋麗

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小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能試驗(yàn)研究

李 建，吳飛春，刁吉陽(yáng)，張 建，徐秋麗

（上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海，201109）

為研究小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能的影響因素，通過(guò)單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)，測(cè)試了點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程中有無(wú)高能點(diǎn)火藥、點(diǎn)火藥顆粒大小以及點(diǎn)火藥在藥盒中不同放置情況等狀態(tài)下的點(diǎn)火壓強(qiáng)曲線，并與發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：有無(wú)高能點(diǎn)火藥和點(diǎn)火藥在藥盒中放置情況對(duì)點(diǎn)火性能有較大的影響；點(diǎn)火藥顆粒大小對(duì)點(diǎn)火性能基本無(wú)影響。說(shuō)明單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)可為小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能的研究提供依據(jù)。

點(diǎn)火器；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；點(diǎn)火性能；點(diǎn)火藥；粒度

小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力反推裝置被廣泛應(yīng)用在單兵便攜式防空導(dǎo)彈型號(hào)中，具有工作時(shí)間短、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其點(diǎn)火延遲時(shí)間和點(diǎn)火初始?jí)簭?qiáng)有較高的要求。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，并建立各種點(diǎn)火模型[1-3]。一般來(lái)說(shuō)，在發(fā)動(dòng)機(jī)主裝藥確定以后，影響點(diǎn)火過(guò)程的主要因素是點(diǎn)火能量，點(diǎn)火能量與點(diǎn)火藥的種類、點(diǎn)火藥的顆粒度、點(diǎn)火藥量以及點(diǎn)火藥在藥盒中的放置情況等密切相關(guān)。點(diǎn)火能量過(guò)低，將導(dǎo)致藥柱局部表面無(wú)法點(diǎn)燃，從而使藥柱無(wú)法點(diǎn)燃或點(diǎn)火延時(shí)過(guò)長(zhǎng)；點(diǎn)火能量過(guò)大，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初始?jí)簭?qiáng)峰過(guò)大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和殼體強(qiáng)度[4]。目前常用的點(diǎn)火藥有黑火藥、鎂/聚四氟乙烯高能點(diǎn)火藥以及硼/硝酸鉀等。

筆者結(jié)合工程實(shí)際，用模擬容器作為試驗(yàn)裝置進(jìn)行單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)火過(guò)程的壓強(qiáng)——時(shí)間曲線，分析發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火壓強(qiáng)與點(diǎn)火藥的關(guān)系，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，為研究發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

某小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為使點(diǎn)火壓強(qiáng)迅速建立，縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，噴管堵蓋打開(kāi)設(shè)計(jì)壓強(qiáng)較大，僅靠點(diǎn)火器工作燃?xì)鈮簭?qiáng)不足以使堵蓋打開(kāi)，因此單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)可在密閉的試驗(yàn)裝置中進(jìn)行。典型的發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用自由裝填式裝藥，裝藥為端面燃燒，點(diǎn)火方式為頭部點(diǎn)火。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了圖1所示的單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置殼體為不銹鋼材料，內(nèi)腔與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)一致；模擬藥柱為不可燃的膠木棒加工成型，與真實(shí)藥柱尺寸相同；噴管為試驗(yàn)悶頭；點(diǎn)火器為不同點(diǎn)火藥種類、不同點(diǎn)火藥量以及不同點(diǎn)火藥放置位置等多組產(chǎn)品。

圖1 試驗(yàn)裝置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)直徑和軸向尺寸較?。ň?0mm以內(nèi)），壓力傳感器安裝位置對(duì)測(cè)得的壓強(qiáng)——時(shí)間曲線沒(méi)有影響，為了便于加工和安裝，壓力傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)頭部[5]。

2 單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)與分析

2.1 有無(wú)高能點(diǎn)火藥對(duì)點(diǎn)火性能的影響

采用點(diǎn)火藥為1.6g HY4黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點(diǎn)火藥和1.6g HY4黑火藥兩個(gè)狀態(tài)的點(diǎn)火器，在試驗(yàn)裝置中進(jìn)行常溫單項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖2所示。

圖2 有無(wú)高能藥的點(diǎn)火器點(diǎn)火壓強(qiáng)曲線

從圖2中可以看出，無(wú)高能點(diǎn)火藥的點(diǎn)火器其點(diǎn)火延遲時(shí)間比有高能點(diǎn)火藥的時(shí)間長(zhǎng)4～6ms，在點(diǎn)火初期20ms內(nèi)，升壓速率沒(méi)有明顯差異；當(dāng)工作20ms后，有高能點(diǎn)火藥的點(diǎn)火器壓強(qiáng)持續(xù)增強(qiáng)，沒(méi)有高能藥的點(diǎn)火器壓強(qiáng)則下降后再緩慢升高；在點(diǎn)火延遲時(shí)間點(diǎn)后20ms時(shí)，無(wú)高能點(diǎn)火藥的點(diǎn)火器比有高能點(diǎn)火藥的點(diǎn)火器點(diǎn)火壓強(qiáng)小2MPa左右。

在相同黑火藥藥量下，混合0.4g高能點(diǎn)火藥，可增加點(diǎn)火的持續(xù)性和降低點(diǎn)火性能的離散性。因此，設(shè)計(jì)點(diǎn)火器時(shí)，在初始?jí)簭?qiáng)允許的條件下，可用高能點(diǎn)火藥作為主點(diǎn)火藥的補(bǔ)充，有效縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，提高點(diǎn)火性能。

2.2 點(diǎn)火藥顆粒大小對(duì)點(diǎn)火性能的影響

HY-5黑火藥的粒度比HY-4黑火藥略小，燃燒時(shí)燃面稍大，一般來(lái)說(shuō)，相同藥量下點(diǎn)火器中HY-5黑火藥的最大壓強(qiáng)比HY-4黑火藥的最大壓強(qiáng)略大。

采用點(diǎn)火藥為1.6g HY4黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點(diǎn)火藥和1.6g HY5黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點(diǎn)火藥兩個(gè)狀態(tài)的點(diǎn)火器，在試驗(yàn)裝置中進(jìn)行常溫單項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 不同點(diǎn)火藥顆粒的點(diǎn)火器點(diǎn)火壓強(qiáng)曲線

兩種不同點(diǎn)火藥顆粒狀態(tài)，相同點(diǎn)火藥量下（總藥量為2.0g），在模擬容器中的最大壓強(qiáng)為8.438～9.128MPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間為6.7～8.6ms ；點(diǎn)火延遲時(shí)間點(diǎn)20ms后的壓強(qiáng)在6.28～7.35MPa，裝填兩種不同顆粒度點(diǎn)火藥點(diǎn)火器的點(diǎn)火性能無(wú)明顯差異。說(shuō)明對(duì)于該小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火藥顆粒大小不會(huì)影響點(diǎn)火性能。

2.3 點(diǎn)火藥的放置對(duì)點(diǎn)火性能的影響

采用1.6gHY4黑火藥，將點(diǎn)火藥平鋪放置在藥盒底和堆放在藥盒一側(cè)，在試驗(yàn)裝置中對(duì)這兩種狀態(tài)的點(diǎn)火器進(jìn)行常溫單項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，點(diǎn)火藥集中放置在藥盒一側(cè)時(shí)點(diǎn)火器的點(diǎn)火延遲時(shí)間比點(diǎn)火藥平鋪在藥盒底的點(diǎn)火延遲時(shí)間短4ms左右；兩種狀態(tài)點(diǎn)火器在點(diǎn)火初期20ms內(nèi)，升壓速率無(wú)明顯差異，在點(diǎn)火延遲時(shí)間點(diǎn)后20ms內(nèi)的點(diǎn)火性能無(wú)明顯差異。

圖4 點(diǎn)火藥不同放置方式下的點(diǎn)火器點(diǎn)火壓強(qiáng)曲線

在相同點(diǎn)火藥量下，當(dāng)點(diǎn)火藥集中放置時(shí)，點(diǎn)火器點(diǎn)火延遲時(shí)間較點(diǎn)火藥平鋪分布時(shí)要短，且對(duì)點(diǎn)火器后續(xù)點(diǎn)火性能沒(méi)有影響。因此，在點(diǎn)火器設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)改變點(diǎn)火藥的分布解決點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提高點(diǎn)火性能。

3 單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)對(duì)比分析

將點(diǎn)火藥為1.6g HY4黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點(diǎn)火藥的點(diǎn)火器，配套用于發(fā)射級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)行了高溫、常溫、低溫共6發(fā)地面試車試驗(yàn)，采集點(diǎn)火延遲時(shí)間，并與單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，在相同溫度條件下，單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車試驗(yàn)的點(diǎn)火延遲時(shí)間基本相當(dāng)。

表1 單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)和地面試車試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.1 Comparison of single factor ignition test and ground ignition test results

通過(guò)點(diǎn)火器單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果的比較，可以看出點(diǎn)火器單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果從很大程度上能夠反映點(diǎn)火器在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作過(guò)程，以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能產(chǎn)生的影響，驗(yàn)證了單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)在小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火設(shè)計(jì)中的必要性和可行性，說(shuō)明可以根據(jù)單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能做出預(yù)先判斷。

4 結(jié)論

針對(duì)小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在密閉模擬容器中進(jìn)行點(diǎn)火器單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)，研究了點(diǎn)火藥種類、點(diǎn)火藥量以及點(diǎn)火藥放置情況對(duì)點(diǎn)火性能的影響，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：（1）在點(diǎn)火初期，有、無(wú)高能點(diǎn)火藥對(duì)升壓速率無(wú)明顯影響；在相同黑火藥藥量下，有適量的高能點(diǎn)火藥填充空隙，可縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間、增加點(diǎn)火的持續(xù)性以及減小點(diǎn)火性能的離散。（2）相同藥量下，不同顆粒大小的點(diǎn)火藥對(duì)小型發(fā)射級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能無(wú)明顯影響。（3）點(diǎn)火藥集中放置于點(diǎn)火器中，可有效縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期的點(diǎn)火性能。（4）在相同溫度條件下，說(shuō)明單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車試驗(yàn)的點(diǎn)火延遲時(shí)間基本相同，單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)可為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能做出初步的預(yù)判，為小型發(fā)射級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 張秋芳,等.單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)在小型固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].火工品,2006(3):5-8.

[2] 劉赟,等.點(diǎn)火過(guò)程對(duì)小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道影響[J].含能材料,2013(1):75-79.

[3] 孫丕忠,等.微小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火特性試驗(yàn)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000(5):23-25.

[4] 鮑福廷,侯曉.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)宇航出版社,2016.

[5] 王琦,等.某固體燃?xì)獍l(fā)射器輸出壓力測(cè)試中傳感器的選擇與安裝[J].火工品,2017(5):46-49.

Experimental Investigation on Ignition Performance of Small Launching-usage Solid Rocket Motor

LI Jian，WU Fei-chun，DIAO Ji-yang，ZHANG Jian，XU Qiu-li

(Shanghai Institute of Space Propulsion Technology , Shanghai，201109)

In order to study the influence on ignition performance of small launching-usage solid rocket motor, through single factor ignition test, the pressuretime curves were tested, under the conditions of adding high energy ignition powder, changing the particle size of ignition powder, as well as changing the ignition powder placing position. Meanwhile, the test results of single factor ignition were compared to that of actual ignition test. As a result, the existence of the high-energy ignition powder and the placing position have significant effect on the ignition performance, while the effect of ignition powder particle size isn’t obvious. The single factor ignition test provides reliable ignition performance for the optimal design of small launching-usage solid rocket motor.

Igniter；Solid rocket motors；Ignition performance；Ignition powder；Particle size

1003-1480（2018）03-0006-03

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.002

2018-01-12

李建（1985 -），男，工程師，主要從事固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究。