自由裝填大長徑比火箭發(fā)動機裝藥試驗研究

鄭 偉，陳俊波，裴江峰，馬 亮，王江寧，宋秀鐸，耿超輝

(1.燃燒與爆炸技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065;2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

陸航用小口徑空空彈/空地彈固體火箭發(fā)動機因受到武器平臺結(jié)構(gòu)的限制，往往采用加大長徑比的方法提高總沖從而增加固體火箭發(fā)動機的射程[1]。自由裝填式的裝藥結(jié)構(gòu)顯著提升了勤務(wù)處理的便利性，因此，自由裝填大長徑比火箭發(fā)動機在陸航武器平臺上得到了大量的應(yīng)用，如57mm航空火箭彈、70mm航空火箭彈、90mm航空火箭彈等。這些火箭彈所用裝藥的長徑比大多在10以上，有的長徑比甚至達到了15[2]。

影響裝藥結(jié)構(gòu)完整性的因素有點火沖擊、使用環(huán)境變化、內(nèi)流場變化、裝藥力學性能等。對于尺寸較大的戰(zhàn)略導彈發(fā)動機，發(fā)動機點火瞬間，藥柱內(nèi)外表面的壓強變化可能造成藥柱表面產(chǎn)生裂紋，影響裝藥結(jié)構(gòu)完整[3-5]。對于戰(zhàn)術(shù)導彈用小口徑大長徑比固體火箭發(fā)動機，由于使用條件惡劣，往往在工作過程中會發(fā)生結(jié)構(gòu)失效引起燃燒室爆炸[6]，究其原因一般是因為裝藥結(jié)構(gòu)上的設(shè)計缺陷導致藥柱力學性能無法適應(yīng)內(nèi)流場的急劇變化，從而引起裝藥結(jié)構(gòu)完整性的破壞。

目前，對于裝藥結(jié)構(gòu)完整性的研究均強調(diào)裝藥在不同環(huán)境條件下的動態(tài)或靜態(tài)的載荷分布[9]，所采用的數(shù)值模擬方法也是基于固體推進劑的黏彈性行為[8-9]。固體火箭發(fā)動機的工作過程，不僅涉及裝藥自身結(jié)構(gòu)和應(yīng)力應(yīng)變行為的變化，還涉及到內(nèi)流場急劇變化的動態(tài)過程。雖然針對大長徑比固體火箭發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性的模擬計算對推進劑的配方設(shè)計及裝藥的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導作用，但是均沒有涉及到裝藥的實際工作過程。因此，有必要開展大長徑比發(fā)動機裝藥工作穩(wěn)定性的影響因素研究。

為提高自由裝填式大長徑比火箭發(fā)動機工作的安全性，獲得影響自由裝填式大長徑比火箭發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性的因素，本實驗以一種螺壓改性雙基推進劑裝藥為研究對象，直接采用試驗發(fā)動機研究了包括初始通氣參量()、擋藥架厚度(d)、裝藥局部涂覆對裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響，以期為大長徑比發(fā)動機裝藥的設(shè)計提供參考。

1 實 驗

1.1 樣 品

推進劑選用含HMX的螺壓改性雙基推進劑(HMX質(zhì)量分數(shù)40%)，理論比沖為2450N·s/kg，推進劑靜態(tài)燃燒速度為13～15mm/s(20℃，10MPa)。推進劑裝藥外徑為58.5～60.5mm，內(nèi)徑為17.8mm，長度為708mm。

1.2 實驗方法及條件

依據(jù)GJB770B-2005方法705.2 推力臺法測定推進劑裝藥的內(nèi)彈道性能，獲得裝藥工作的壓強—時間曲線。點火藥為2#小粒黑，質(zhì)量12g；試驗溫度分別為20、50、60℃。所采用的發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，裝藥為單孔管狀。

圖1 試驗發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structure schematic of test motor

1.3 推進劑抗壓力學性能測試

依據(jù)GJB770B-2005方法415.1 壓縮法測定推進劑抗壓力學性能，試驗溫度分別為20、50和60℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始通氣參量的影響

管狀裝藥內(nèi)外通氣參量的變化速率決定了裝藥內(nèi)外表面所受燃氣壓力差的大小[10]。因此，設(shè)計了兩種不同的初始通氣參量值，采用試驗發(fā)動機進行了對比試驗。

圖2 20、50和60℃條件下，不同值時推進劑裝藥工作的壓強—時間曲線Fig.2 The p—t curves of the propellant grains with different at 20,50 and 60℃

通過對比同一初始通氣參量不同溫度時裝藥的壓強—時間曲線與碎藥情況可知，隨著裝藥工作溫度的升高，裝藥的結(jié)構(gòu)完整性被破壞，碎藥現(xiàn)象逐漸嚴重。初始通氣參量過大時，裝藥無法承受內(nèi)外表面的壓差，造成裝藥解體，產(chǎn)生的殘藥燃燒，導致工作曲線尾部壓力升高。同時，高溫條件下，推進劑力學性能的下降也是裝藥發(fā)生碎裂的原因之一。

不同溫度下推進劑抗壓力學性能的測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著溫度的升高，推進劑的力學性能顯著降低，50℃與20℃的抗壓力學性能相比，強度值下降了75%，60℃與20℃的抗壓力學性能相比，強度值下降了85%。

由上述分析可知，對于自由裝填式的大長徑比裝藥，選取合適的值可以顯著改善裝藥在高溫工作條件下的工作穩(wěn)定性。

表1 不同溫度下推進劑的抗壓性能

2.2 擋藥架厚度的影響

考慮到擋藥架可能影響到大長徑比發(fā)動機裝藥的內(nèi)流場，設(shè)計了厚度d分別為8mm和25mm的擋藥架，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。采用試驗驗證了不同厚度的擋藥架對裝藥工作穩(wěn)定性的影響。

圖3 擋藥架的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 The structure schematic of bracket

圖4 不同厚度擋藥架時推進劑裝藥的壓強—時間曲線Fig.4 The curves of the grains with different thickness of bracket

由圖4可知，采用厚度為25mm的擋藥架時，發(fā)動機工作后期未出現(xiàn)壓力升高的現(xiàn)象，試驗后現(xiàn)場也未見到碎藥；采用厚度為8mm的擋藥架時，發(fā)動機工作結(jié)束的后期仍存在輕微的壓力上升，且試驗后現(xiàn)場有少量厚度約為2mm的碎藥。同時，采用厚度為25mm的擋藥架有利于降低點火壓強峰，減少侵蝕燃燒現(xiàn)象的發(fā)生。

由此可知，采用厚度為25mm的擋藥架比采用厚度為8mm的擋藥架更有利于裝藥的穩(wěn)定工作。分析認為可能的原因是采用厚度為8mm的擋藥架時，裝藥末端離噴管出口距離較近，裝藥外側(cè)面燃氣在出口處流通不暢，瞬時內(nèi)外壓強的不平衡造成碎藥的產(chǎn)生。

2.3 裝藥內(nèi)孔涂覆的影響

理想情況下，裝藥的燃燒為平行層燃燒。如果限制內(nèi)孔的燃燒，使燃燒從外表面開始，燃燒結(jié)束時所形成環(huán)狀藥的外徑最小。外徑較小的環(huán)狀藥具有更大的承壓能力，有利于減少裝藥燃燒后期碎藥的發(fā)生。同時，有經(jīng)驗表明，內(nèi)孔涂覆有利于大長徑比裝藥的工作穩(wěn)定性[12]。所以采用試驗發(fā)動機對比研究了內(nèi)孔涂覆與否對裝藥工作的影響。內(nèi)孔涂覆的溶液為硝基油漆布與丙酮按質(zhì)量比1∶5進行配制。溫度為20℃、值為225時，內(nèi)孔涂覆與內(nèi)孔不涂覆時的發(fā)動機曲線如圖5所示。

圖5 內(nèi)孔涂覆與內(nèi)孔不涂覆時不同擋藥架厚度條件下推進劑裝藥的壓強—時間曲線Fig.5 The p—t curves of the propellant grains with and without coated inner hole under different thickness of bracket

由圖5(a)可知，內(nèi)孔涂覆降低了點火壓力峰，減小了裝藥的初始燃面，延長了裝藥的工作時間。且內(nèi)孔涂覆與不涂覆的工作條件下，均沒有發(fā)現(xiàn)發(fā)動機工作時有碎藥產(chǎn)生。

圖5(b)與圖5(a)的試驗結(jié)果類似，內(nèi)孔涂覆降低了點火壓力峰，改變了壓強—時間曲線的形態(tài)。由于其采用了厚度為8mm的擋藥架，裝藥內(nèi)孔無論涂覆與否，兩發(fā)裝藥試驗后均產(chǎn)生了少量的碎藥，且碎藥的厚度相當，均為1.2～2mm。試驗結(jié)果與上述2.2節(jié)中得出的結(jié)論相同。

由此可知，內(nèi)孔是否涂覆對改善裝藥工作時的碎藥情況沒有作用。

3 結(jié) 論

(1)減小初始通氣參量能顯著提高裝藥的工作穩(wěn)定性。對于長徑比為12的推進劑裝藥，50℃時，初始通氣參量從225減小至166，基本消除了碎藥的產(chǎn)生；60℃時，初始通氣參量從225減小至166，顯著減小了碎藥的產(chǎn)生。

(2)采用厚度為25mm的擋藥架比采用厚度為8mm的擋藥架更有利于減少裝藥工作時的碎藥現(xiàn)象。

(3)內(nèi)孔是否涂覆對改善裝藥工作時的碎藥情況沒有作用。