胡曉龍，屠小昌，楊樹彬，楊安民，張國興，李 明

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

近年來，由于燃?xì)獍l(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、作用迅速等特點，已在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在燃?xì)獍l(fā)生器的應(yīng)用中，其燃燒氣體大多經(jīng)過喉徑細(xì)小的噴嘴、鋁制或者鋼制管道，吹動渦輪帶動電機伺服機構(gòu)。如果燃?xì)獾娜紵龤怏w溫度過高，會損害流經(jīng)裝置的安全性能甚至直接造成意外事故。特別是利用燃?xì)獍l(fā)生器作氣源裝置時，對其燃?xì)獾臏囟扔懈鼑?yán)格的限制。

目前，國內(nèi)外有許多方法獲得低燃溫燃?xì)?，最直接和最有效的途徑是運用低燃溫主裝藥，然而在低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的研制過程中出現(xiàn)了點火難的問題，因此對低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點火技術(shù)的研究十分必要。

1 點火理論分析

在工程上規(guī)定：從點火訊號或指令給出的時刻起到初始壓強pi建立為止，其間所對應(yīng)的時間間隔稱為點火延遲時間tdi[1]。點火延遲時間tdi是衡量燃?xì)獍l(fā)生器點火性能的主要指標(biāo)，若點火延遲時間超過規(guī)定值，便認(rèn)為該燃?xì)獍l(fā)生器點火不可靠。

根據(jù)點火理論的溫度點火準(zhǔn)則，只要藥柱表面溫度Ts達到藥柱的點火溫度Td時，就認(rèn)為藥柱被點燃。假設(shè)燃?xì)鈱λ幹砻娴臒峤粨Q為一元問題，藥柱為半無限大物體，燃?xì)庾袷乩硐霘怏w定律，則時間τ的表達式：

由式（1）可知，影響τ的因素可分為4大類：（1）藥柱的物理化學(xué)性質(zhì)和初始溫度：低燃溫推進劑中添加一定比例的降溫劑，不僅改變了低燃溫推進劑藥柱的物理化學(xué)性能，并使其燃燒性能變差，從而造成了低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點火難的問題。（2）點火藥性質(zhì)：點火藥的燃燒氣體溫度Tg越高，點火延遲時間τ越小。點火藥量過少，會使τ增大或者造成瞎火。點火藥量過多，反而會引起過高的點火壓強峰，并對燃?xì)獍l(fā)生器的安全性造成影響[2]。（3）燃?xì)獍l(fā)生器的結(jié)構(gòu)：燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室自由容積V越大，點火壓強建立的時間增大，則會使τ加大。但V過小，點火燃?xì)庠谒幹砻嫱Ａ魰r間短，藥柱表面很難建立起必要厚度的加熱層，也會使τ增大[4]。（4）點火器的數(shù)量及安裝位置：點火器放在燃?xì)獍l(fā)生器的頭部，會使點火燃?xì)馊苛鹘?jīng)藥柱表面，采用多個點火器，可獲得較短的點火延遲期。

2 產(chǎn)品設(shè)計及試驗方案

由于本文低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的研究依托于某減震氣囊用低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的研制，要求燃?xì)獍l(fā)生器裝藥燃燒產(chǎn)物潔凈，含微量凝固相成分及腐蝕性氣體，不能含金屬凝固相粒子，以防止凝固相粒子對氣囊的局部燒傷損壞及腐蝕性氣體對氣囊的腐蝕性損壞。通過研究發(fā)現(xiàn)，確定低燃溫推進劑為ZKT推進劑，點火藥為黑火藥，采用單個點火器且安裝在低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的頭部，主裝藥采用管狀內(nèi)孔燃燒形式，外圓柱面及前后端面包覆。使點火藥燃?xì)獬浞至鹘?jīng)藥柱表面，以對流、沖擊等形式進行熱交換，保證了低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點火可靠性。

低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點火試驗裝置如圖1所示，被測試的低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器通過夾具固定連接在鐵制的試驗臺上，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室外殼預(yù)留測壓孔，采用ZQ-Y1型壓力傳感器，使用預(yù)緊扭力扳手安裝，安裝完畢后連接測試線，通過多通道瞬態(tài)記錄儀采集數(shù)據(jù)。瞬態(tài)記錄儀全程記錄燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)壓力隨時間的變化情況。

圖1 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器試驗裝置實物圖Fig.1 Photo of experimental setup of gas generator with low combustion temperature

3 試驗結(jié)果與分析

在其余部件相同且試驗條件相同的情況下設(shè)計低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器1和2，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器1的主裝藥頂端墊4片2mm厚的絕熱橡膠環(huán)，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器2的主裝藥底端墊4片2mm厚的絕熱橡膠環(huán)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。先后進行點火試驗，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器1點火成功，正常工作；低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器2主裝藥未能成功點燃，未正常工作。試驗中測得500ms內(nèi)的p——t曲線對比見圖3。

圖2 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)對比圖Fig.2 Structure comparision chart of low combustion temperature gas generator

圖3 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器p——t曲線Fig.3 p——t curve of gas generator

從圖3可知，在40ms內(nèi)兩個燃?xì)獍l(fā)生器的p——t曲線相差不大，且點火壓強峰亦無大的差別，160ms時燃?xì)獍l(fā)生器1燃燒室內(nèi)壓強下降到4MPa左右，成功點燃主裝藥，開始正常工作；燃?xì)獍l(fā)生器2中主裝藥未能正常燃燒，220ms時燃燒室內(nèi)壓強下降為0。

兩個低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器使用了相同的低燃溫推進劑，采用了相同的點火器，且點火器的安裝位置和數(shù)量相同，點火藥量和點火藥的性質(zhì)也相同；在基本相同的外部條件下進行點火試驗，外部環(huán)境的溫度和濕度以及主裝藥的初溫也相同。而唯一的差別是4片2mm的絕熱橡膠環(huán)安放位置的不同，從而造成了燃燒室內(nèi)主裝藥和點火組件的相對位置的變化，降低了點火燃?xì)馀c主裝藥表面的對流沖擊帶來的熱交換。

低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點火過程是一個短暫而復(fù)雜的過程[4]，實驗中采用的低燃溫推進劑屬于復(fù)合推進劑范疇，其燃燒過程大體上可以看作平行層燃燒。復(fù)合推進劑在一定壓強下可以自持燃燒，而自持燃燒有一個壓強下限，若壓強低于此限則不能自持燃燒。所以，低燃溫推進劑的點火不僅需保證在有效時間內(nèi)燃燒室內(nèi)建立起一定壓強，并且需要保證點火燃?xì)庠谒幹砻嬗凶銐虻臏魰r間，以保證點火燃?xì)馀c主裝藥表面進行足夠的熱交換，從而點燃推進劑主裝藥。

通過上述的分析，為了保證低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點火可靠性，對低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點火器組件進行改進設(shè)計，通過改進點火藥的結(jié)構(gòu)，增加了點火藥的燃燒時間，從而增加對低燃溫推進劑藥柱的持續(xù)供能時間；通過對點火器組件中螺堵的改進設(shè)計，增加了點火燃?xì)馀c主裝藥表面的對流沖擊換熱，保證藥柱表面迅速地建立起加熱層。再次進行了點火試驗，結(jié)果成功點燃低燃溫推進劑裝藥，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器按設(shè)計要求正常工作。試驗中測得燃燒室內(nèi)的p——t曲線如圖4所示。

由圖4可見：（1）測試的點火壓強峰值為17.6MPa，點火燃?xì)饪煽奎c燃低燃溫推進劑，燃燒室壓強經(jīng)歷上升段、工作段和下降段，滿足設(shè)計要求。（2）p——t曲線與內(nèi)彈道理論計算的p——t的曲線基本相同。

圖4 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器p——t曲線Fig.4 p——t curve of low combustion temperature gas generator

4 結(jié) 論

通過采用端燃形式的傳火藥柱以增加點火燃?xì)獾某掷m(xù)燃燒時間，保證了點火燃?xì)鈱χ餮b藥的持續(xù)作用時間；點火組件中通過設(shè)計傳火孔及出口處角度，增加了點火燃?xì)馀c藥柱表面的對流沖擊換熱，有效地解決了低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點火難的問題。本研究對今后低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點火裝置的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

[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]拜會平,張曉峰.燃?xì)獍l(fā)生器裝藥性能影響因素分析[J].航空兵器, 2012(2):47-55.

[3]李慶,李清廉,王振國.燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)對燃燒性能的影響[J].航空動力學(xué)報,2008,23(11):2 062-2 067.

[4]谷豐,馬友林,等.使用緩燃推進劑的小型點火器點火技術(shù)研究[J].火工品,2005(2):1-4.