固體火箭發(fā)動機(jī)聚能射流低易損試驗(yàn)研究

曹軍 郭顏紅

摘要：????? 為了解HTPE和HTPB固體火箭發(fā)動機(jī)在聚能射流條件的低易損性， 設(shè)計(jì)了某型產(chǎn)品的縮比發(fā)動機(jī)， 對不同殼體材料、 推進(jìn)劑類型以及全尺寸的發(fā)動機(jī)開展了聚能射流低易損性試驗(yàn)研究。 試驗(yàn)結(jié)果表明， HTPE發(fā)動機(jī)的響應(yīng)等級優(yōu)于采用HTPB推進(jìn)劑的發(fā)動機(jī)， 縮比發(fā)動機(jī)的對比試驗(yàn)結(jié)果能預(yù)示全尺寸發(fā)動機(jī)的低易損性改善趨勢， 但與全尺寸發(fā)動機(jī)的實(shí)際響應(yīng)等級差異較大。

關(guān)鍵詞：???? 固體火箭發(fā)動機(jī); 聚能射流; 低易損性; HTPE; HTPB

中圖分類號：??? TJ763;? V435+.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：??? A文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0072-06[SQ0]

0引言

固體火箭發(fā)動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、 工作可靠性高、 維護(hù)方便、 作戰(zhàn)反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈[1-3]。 隨著現(xiàn)代武器戰(zhàn)術(shù)性能的提高以及航母戰(zhàn)斗力的提升， 未來高科技戰(zhàn)爭對導(dǎo)彈在生產(chǎn)、 運(yùn)輸、 存儲及戰(zhàn)場環(huán)境下的高生存能力、 高安全性和對周圍人員、 物資的低威脅程度提出了越來越多的要求[4]， 同時(shí)， 隨著高性能機(jī)載導(dǎo)彈的需求牽引、 對鈍感彈藥的重視以及環(huán)保意識的增強(qiáng)， 高能量、 低易損性、 低信號特征、 低成本和高可靠性已經(jīng)成為固體火箭發(fā)動機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)和未來發(fā)展方向[5]。 低易損性已成為近年來海軍彈藥的概念性指標(biāo)， 彈藥的低易損性要求固體火箭發(fā)動機(jī)受到意外刺激（熱、 機(jī)械、 沖擊波等刺激）時(shí)， 發(fā)動機(jī)的危險(xiǎn)性響應(yīng)和隨之出現(xiàn)的二次損害要小， 即只燃燒， 不爆炸、 不爆轟。

最新的MIL-STD-2105D， NATO STANAG 4439等文件， 識別了六類典型威脅， 并要求彈藥需經(jīng)過與六類威脅相對應(yīng)鈍感試驗(yàn)考核[6-7]。 研究表明， 鋼殼體發(fā)動機(jī)受破片或射流撞擊時(shí)， 有爆炸和壓力上升引起殼體爆破的傾向。 但不同發(fā)動機(jī)殼體材料特性對發(fā)動機(jī)響應(yīng)等級有較大的影響[8-10]。

國內(nèi)外發(fā)動機(jī)低易損研究現(xiàn)狀表明， 推進(jìn)劑中的爆炸組分對發(fā)動機(jī)在意外刺激條件下的響應(yīng)程度起著至關(guān)重要的作用[11]， 推進(jìn)劑的配方組成、 能量特性都對發(fā)動機(jī)響應(yīng)程度有較大影響。 美國ATK公司研制的改進(jìn)型“海麻雀”（ESSM）發(fā)動機(jī)采用HTPE推進(jìn)劑， 并開展了大量的快烤、 慢烤、 子彈撞擊和破片撞擊低易損試驗(yàn)， 發(fā)動機(jī)低易損性得到改善[12]， 對比于HTPB推進(jìn)劑， HTPE推進(jìn)劑通過改善自身的熱分解特征來消除發(fā)動機(jī)發(fā)生爆燃或爆轟的危險(xiǎn)[13]; 帶溝槽殼體、 鋼帶纏繞粘接殼體等設(shè)計(jì)措施對改善發(fā)動機(jī)的低易損性有很大的貢獻(xiàn)[14]。

通過小尺寸試驗(yàn)一方面可以指導(dǎo)IM配方和裝藥設(shè)計(jì)方面的研究， 另一方面也可以對槍擊、 射流等過程的機(jī)理進(jìn)行研究[15]。 而聚能射流以更高侵徹能力和更強(qiáng)打擊動能逐步被認(rèn)為是導(dǎo)彈最具潛力的毀傷元之一， 本文根據(jù)發(fā)動機(jī)的TNT當(dāng)量， 在借鑒MIL-STD-2105D和NATO STANAG 4526[16]的基礎(chǔ)上， 優(yōu)化低易損試驗(yàn)方法，? 收集到不同殼體材質(zhì)、 推進(jìn)劑類型發(fā)動機(jī)真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 系統(tǒng)評估出發(fā)動機(jī)的響應(yīng)等級， 得出相比于HTPB推進(jìn)劑， HTPE推進(jìn)劑對改善發(fā)動機(jī)的低易損性具有很大的優(yōu)勢， 并設(shè)計(jì)出一型縮比發(fā)動機(jī)來評估某型發(fā)動機(jī)在射流沖擊下的響應(yīng)等級。

1模擬發(fā)動機(jī)聚能射流試驗(yàn)

1.1聚能射流源

聚能射流沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要以NATO STANAG 4526為主， 射流源為50 mm口徑空心裝藥射流源， 射流粒子束速度V的平方與射流粒子束直徑D的乘積V2D>360 mm3/μs2， 射流源的炸高取射流源直徑的2倍。 射流源采用8號瞬發(fā)電雷管引爆， 見證板采用1 m×1 m×3 mm的薄鋼板。

1.2試驗(yàn)方案

國內(nèi)外研究表明， 發(fā)動機(jī)殼體材料和推進(jìn)劑類型是影響發(fā)動機(jī)低易損性能的兩個(gè)重要因素。 本文對目前廣泛采用的殼體材料30CrMnSiA、 某高強(qiáng)度不銹鋼及HTPE和HTPB丁羥兩種推進(jìn)劑進(jìn)行縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)、 某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的聚能射流試驗(yàn)。

試驗(yàn)方案采用兩種不同材料發(fā)動機(jī)殼體與不同類型推進(jìn)劑組合， 見表1。 通過分析發(fā)動機(jī)在聚能射流條件下的試驗(yàn)現(xiàn)象及響應(yīng)結(jié)果， 驗(yàn)證材料的力學(xué)性能、 推進(jìn)劑類型對發(fā)動機(jī)低易損性的影響， 比較出不同殼體材料、 推進(jìn)劑類型的發(fā)動機(jī)低易損性能以及尺寸大小對低易損性評估的影響。

1.2.1縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)根據(jù)某發(fā)動機(jī)的工作特性設(shè)計(jì)出的縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)外徑160 mm， 全長480 mm， 殼體材料選用常見的30CrMnSiA， 結(jié)合發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)及安全系數(shù)得到的殼體壁厚為2.2 mm?？s比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1;

材料具體參數(shù)見表2;? 裝藥尺寸、 喉徑及設(shè)計(jì)最大工作壓強(qiáng)見表3。

1.2.2全尺寸發(fā)動機(jī)

全尺寸發(fā)動機(jī)零部件均借用某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)， 發(fā)動機(jī)直徑160 mm， 裝藥長度1 500 mm，? 殼體材料為某高強(qiáng)度不銹鋼， 延伸率較30CrMnSiA材料偏低。 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)見圖2; 材料具體參數(shù)見表4;? 裝藥尺寸、 喉徑及設(shè)計(jì)最大工作壓強(qiáng)見表5。

1.3聚能射流低易損試驗(yàn)布置

圖3為聚能射流撞擊試驗(yàn)裝置示意圖， 在3個(gè)方向布置沖擊波超壓傳感器， 每個(gè)方向設(shè)置3個(gè)壓力測點(diǎn); 在發(fā)動機(jī)的4側(cè)各放置1塊側(cè)見證板; 在距離發(fā)動機(jī)軸線處對稱放置超壓傳感器; 保證測壓傳感器、 沖擊波傳感器的時(shí)間原點(diǎn)統(tǒng)一。 通過高速圖像及樣品下方驗(yàn)證板上凹痕判斷發(fā)動機(jī)是否被引爆而發(fā)生反應(yīng)， 分析在射流撞擊下的起爆反應(yīng)程度及響應(yīng)情況。

1.4聚能射流試驗(yàn)現(xiàn)象及其分析

1.4.1射流源標(biāo)定

聚能射流標(biāo)定試驗(yàn)， 射流源啟動后， 射流迅速穿透發(fā)動機(jī)殼體， 掀起大量塵土， 面向射流的見證板有穿孔及射流散射的痕跡， 距離產(chǎn)品2 m和4 m處均測得超壓值， 見表6;? 試驗(yàn)現(xiàn)場及殘骸情況見圖4。

1.4.2縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)情況

將2塊見證板布置在模擬彈中心兩側(cè)， 見證板安置于支架上。 兩支沖擊波超壓傳感器（量程為1 MPa）布置在縮比發(fā)動機(jī)的圓周上， 沖擊波超壓傳感器之間夾角為45°。? 在縮比發(fā)動機(jī)預(yù)留孔處安裝壓力傳感器， 通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測定縮比發(fā)動機(jī)響應(yīng)時(shí)的內(nèi)部壓力。 聚能射流試驗(yàn)結(jié)果見表7;? 試驗(yàn)現(xiàn)場布置及HTPE縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)聚能射流試驗(yàn)殘骸見圖5; HTPB縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)聚能射流試驗(yàn)殘骸見圖6。

1.4.3某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)情況

（1） HTPB發(fā)動機(jī)聚能射流試驗(yàn)

射流源啟動后， 射流迅速穿透發(fā)動機(jī)殼體及藥柱， 形成巨大的金屬燃燒火球， 推進(jìn)劑帶著火球四處散射， 固定臺架嚴(yán)重變形， 發(fā)動機(jī)殘骸僅有發(fā)動機(jī)頭部、 殼體尾端及噴管， 見證板有穿孔及射流散射的痕跡， 無發(fā)動機(jī)內(nèi)壓數(shù)據(jù)， 因設(shè)備原因未測超壓數(shù)據(jù)， 見表8;? 試驗(yàn)現(xiàn)場及殘骸情況見圖7。

從上述試驗(yàn)現(xiàn)象分析， 側(cè)見證板飛行距離較遠(yuǎn)， 且其中2塊見證板上有細(xì)小的穿孔， 發(fā)動機(jī)殼體以高剪切比的快速變形， 大部分金屬殼體消失， 只收集到6塊高剪切比殘骸， 其中有3塊碎片飛行距離超過15 m， 分別為17.8 m， 18.2 m， 22.7 m， 收集到3塊殘藥。 根據(jù)試驗(yàn)大綱的響應(yīng)等級與試驗(yàn)現(xiàn)象對照表綜合分析， HTPB發(fā)動機(jī)聚能射流沖擊試驗(yàn)的響應(yīng)程度判定為部分爆轟。

（2） HTPE發(fā)動機(jī)聚能射流試驗(yàn)

射流源啟動后， 射流迅速穿透發(fā)動機(jī)殼體及藥柱， 形成巨大的金屬燃燒火球， 推進(jìn)劑帶著火球四處散射， 固定臺架基本完好， 見證板有穿孔及射流散射的痕跡， 無發(fā)動機(jī)內(nèi)壓數(shù)據(jù)， 無明顯超壓產(chǎn)生， 見表9;? 試驗(yàn)現(xiàn)場及殘骸情況見圖8。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象綜合分析， 發(fā)動機(jī)聚能射流沖擊試驗(yàn)反應(yīng)后， 推進(jìn)劑快速消耗， 可見持續(xù)燃燒， 有噴射現(xiàn)象產(chǎn)生; 收集到的殘藥質(zhì)量合計(jì)1.421 kg; 發(fā)動機(jī)殼體中部破碎成大小不一的碎片， 破碎部分約占整個(gè)殼體的13; 發(fā)動機(jī)響應(yīng)后無明顯超壓產(chǎn)生; 側(cè)見證板均無明顯彎曲變形， 均有一定的滑移， 其中3塊上面各有1個(gè)穿孔， 殼體碎片最遠(yuǎn)飛行36.2 m， 殘藥最遠(yuǎn)飛行37.6 m。 HTPE發(fā)動機(jī)聚能射流沖擊試驗(yàn)的響應(yīng)程度判定為爆炸。

1.4.4試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)方案開展了縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)、 某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)低易損試驗(yàn)4臺次， 試驗(yàn)現(xiàn)象及響應(yīng)等級見表10。

優(yōu)于HTPB發(fā)動機(jī)， 主要原因是同等能量條件下HTPE推進(jìn)劑的固體含量低、 安全等級高， 并在推進(jìn)劑配方中進(jìn)行了D-HMX組分的替換以及添加鈍感調(diào)節(jié)劑。

對比試驗(yàn)方案1和4的試驗(yàn)現(xiàn)象及響應(yīng)等級， 縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)與某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的響應(yīng)等級差異較大。 主要原因是隨著發(fā)動機(jī)尺寸的增加， 推進(jìn)劑發(fā)生點(diǎn)火的臨界環(huán)境溫度增大， 發(fā)動機(jī)響應(yīng)時(shí)間滯后， 推進(jìn)劑內(nèi)部積聚的化學(xué)能量增加， 能量釋放的表象會更強(qiáng)烈。

對比試驗(yàn)方案1～4的試驗(yàn)現(xiàn)象及響應(yīng)等級， 殼體為30CrMnSiA的發(fā)動機(jī)響應(yīng)等級優(yōu)于某高強(qiáng)度不銹鋼材料發(fā)動機(jī)， 主要原因是30CrMnSiA材料的延伸率遠(yuǎn)高于高強(qiáng)度不銹鋼， 在相同工況下殼體較難形成碎小破片， 有利于發(fā)動機(jī)響應(yīng)等級的評估。

2結(jié)論

（1） 在聚能射流的外界刺激條件下， 縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)（30CrMnSiA/HTPE）的響應(yīng)等級為爆燃; 縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)（30CrMnSiA/HTPB）的響應(yīng)等級為部分爆轟; 某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)（某不銹鋼/HTPB）的響應(yīng)等級為部分爆轟; 某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)（某不銹鋼/HTPE）的響應(yīng)等級為爆炸。

（2） 在聚能射流的外界刺激下， HTPE發(fā)動機(jī)的響應(yīng)等級優(yōu)于采用HTPB推進(jìn)劑的發(fā)動機(jī)。

（3） 在聚能射流的外界刺激下， 縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的對比試驗(yàn)結(jié)果能預(yù)示某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的低易損性改善趨勢， 縮比試驗(yàn)發(fā)動機(jī)與某試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的響應(yīng)等級差異較大。 主要是隨著發(fā)動機(jī)尺寸的增加， 推進(jìn)劑發(fā)生點(diǎn)火的臨界環(huán)境溫度增大， 發(fā)動機(jī)響應(yīng)時(shí)間滯后， 能量釋放的表象會更強(qiáng)烈。

（4） 在聚能射流的外界刺激下， 30CrMnSiA殼體發(fā)動機(jī)的響應(yīng)等級優(yōu)于某高強(qiáng)度不銹鋼材料發(fā)動機(jī)， 原因是30CrMnSiA材料的延伸率遠(yuǎn)高于高強(qiáng)度不銹鋼， 有利于發(fā)動機(jī)響應(yīng)等級的評估。

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