吳飛春，俞 鑫

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多孔藥型B-KNO3點(diǎn)火藥在點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

吳飛春，俞 鑫

（上海航天動力技術(shù)研究所，上海，201109）

針對中型固體火箭發(fā)動機(jī)中點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了采用多孔藥型B-KNO3點(diǎn)火藥作為點(diǎn)火發(fā)動機(jī)主裝藥，以增加裝藥燃面、提高裝填系數(shù)。通過在某型空地導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)用點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的應(yīng)用，驗證了多孔藥型B-KNO3點(diǎn)火藥點(diǎn)火性能滿足要求，為中型點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的裝藥設(shè)計提供一種新途徑。

點(diǎn)火藥；B-KNO3；藥形設(shè)計；點(diǎn)火發(fā)動機(jī)

在大中型固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計中，為有效而安全地點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)的主裝藥，通常使用類似小型固體火箭發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火裝置（即點(diǎn)火發(fā)動機(jī)）對發(fā)動機(jī)主藥柱進(jìn)行點(diǎn)火。由于點(diǎn)火發(fā)動機(jī)工作時間極短，大約在0.2s左右，點(diǎn)火發(fā)動機(jī)裝藥一般多采用大燃面小肉厚車輪型藥型、貼壁澆注的高燃速推進(jìn)劑裝藥[1]。在大型固體火箭發(fā)動機(jī)中采用的點(diǎn)火發(fā)動機(jī)裝藥燃速一般小于30mm/s（6MPa），藥型采用復(fù)雜的車輪型裝藥，對于較大尺寸的點(diǎn)火發(fā)動機(jī)是可行的，但對于點(diǎn)火藥量在1kg左右的中型發(fā)動機(jī)，其外形尺寸受空間限制，考慮到點(diǎn)火效果和裝藥工藝性，不適宜采用常規(guī)的車輪型裝藥[2]。要保證點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的裝藥質(zhì)量和點(diǎn)火性能，采取的方法之一是提高推進(jìn)劑燃速，簡化澆注藥型；方法之二是控制一定的推進(jìn)劑燃速，增加裝藥燃面。在某型空地導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火發(fā)動機(jī)設(shè)計中采用了B-KNO3（硼硝酸鉀）點(diǎn)火藥多孔藥型的裝藥方式，以增加裝藥燃面，簡化裝藥復(fù)雜性，適應(yīng)了該型發(fā)動機(jī)點(diǎn)火需要。

1 多孔B-KNO3藥環(huán)的特點(diǎn)

目前國內(nèi)常用的點(diǎn)燃復(fù)合推進(jìn)劑的點(diǎn)火藥主要有Mg-PTEE（鎂聚四氟乙烯）高能點(diǎn)火藥和B-KNO3點(diǎn)火藥兩種。相比而言，B-KNO3感度高，低壓下易引燃，點(diǎn)火壓強(qiáng)峰值大，燃燒時間短，產(chǎn)氣量大，適用高空點(diǎn)火及自由容積大的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火[3]。

一般B-KNO3的制造與驗收按GJB 6217-2008 硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥規(guī)范執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了顆粒狀、圓柱形、雙凸形和環(huán)形4種形狀產(chǎn)品的具體參數(shù)（結(jié)構(gòu)尺寸和性能指標(biāo)），其他未做規(guī)定。

根據(jù)點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的工作要求進(jìn)行分析：雖然單孔藥環(huán)在燃燒過程中近似為等面燃燒，點(diǎn)火能量釋放相對較快，持續(xù)平穩(wěn)，但裝填系數(shù)不高，單孔裝藥燃面還不能滿足點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的性能要求。而相同裝藥外徑、一定推進(jìn)劑燃速下，多孔形藥環(huán)的裝藥量、燃面遠(yuǎn)比單孔藥環(huán)大。某型空地導(dǎo)彈點(diǎn)火發(fā)動機(jī)設(shè)計的多孔藥環(huán)裝藥截面結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，多孔藥環(huán)比環(huán)形藥環(huán)燃面增加了45.5%，裝藥量增加了78% ，大大提高了裝藥裝填系數(shù)，縮短了點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)長度，同時提高了燃?xì)饷肓髁浚瑥亩s短了整個發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火延遲時間。雖然多孔藥環(huán)在燃燒到后期會有一定的殘藥，但整體縮短了裝藥長度，提高了點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的工作效率，同時自由裝填的裝藥形式簡化了裝藥復(fù)雜性，提高裝藥質(zhì)量的穩(wěn)定和一致性，更有利于批量生產(chǎn)。

圖1 環(huán)形和多孔形藥柱藥型截面示意圖

2 多孔B-KNO3藥環(huán)的制備

多孔藥環(huán)可根據(jù)點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的外形尺寸、燃燒時間和燃燒產(chǎn)物質(zhì)量流量要求進(jìn)行選用或是專門設(shè)計。一般多孔B-KNO3藥環(huán)的制備采用濕壓法，即將B-KNO3顆粒按照一定的工藝條件制成特定尺寸和特定密度，可參照GJB 6217-2008 硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥規(guī)范中單孔藥環(huán)的要求制造與驗收。原材料應(yīng)符合GJB 6217規(guī)定的原材料要求；結(jié)構(gòu)尺寸上可按點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的性能要求進(jìn)行設(shè)計；藥環(huán)密度與其燃燒規(guī)律有密切的關(guān)系，密度太大會使燃速下降，密度太小會使藥環(huán)燃燒出現(xiàn)異常，在燃燒過程中出現(xiàn)爆燃、爆裂現(xiàn)象，使藥環(huán)處于不穩(wěn)定燃燒狀態(tài)[4-5]。藥環(huán)密度可根據(jù)實(shí)際操作情況和對不同密度藥環(huán)的對比試驗確定，一般藥環(huán)密度符合GJB 6217-2008中單孔藥環(huán)的（1.75± 0.05）g/cm3指標(biāo)要求。

3 多孔B-KNO3藥環(huán)在某型點(diǎn)火發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

某型空地導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)采用丁羥推進(jìn)劑、貼壁澆注的翼柱形裝藥結(jié)構(gòu)，初始自由容積約135 000cm3，發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火延遲時間要求不大于0.1s，采用多孔藥型B-KNO3點(diǎn)火藥作為點(diǎn)火發(fā)動機(jī)主裝藥。

3.1 多孔B-KNO3藥環(huán)的選用

由于受發(fā)動機(jī)裝藥空間的影響，該點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的裝藥直徑控制在Φ65mm之內(nèi)，燃燒時間約150ms，選用的多孔B-KNO3藥環(huán)燃速約30mm/s，藥環(huán)肉厚為4.5mm，多孔B-KNO3藥環(huán)為7孔藥型，結(jié)構(gòu)外形見圖1（b），單個藥環(huán)的厚度為20mm。該多孔藥環(huán)的理化性能與彈道性能見表1。

表1 某型多孔B-KNO3藥環(huán)性能數(shù)據(jù)

Tab.1 Physical and chemical capability of the porous grain

由表1可見，壓制成型后的多孔藥環(huán)符合GJB 6217-2008中單孔藥環(huán)的指標(biāo)要求。藥環(huán)裝入點(diǎn)火發(fā)動機(jī)殼體后按點(diǎn)火發(fā)動機(jī)制造與驗收規(guī)范要求進(jìn)行了飛行振動、沖擊和2m跌落試驗，試驗后對產(chǎn)品進(jìn)行了分解檢查，藥環(huán)結(jié)構(gòu)完整、無破損。

3.2 點(diǎn)火發(fā)動機(jī)性能預(yù)估

點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火藥量通過經(jīng)驗公式進(jìn)行初步估算，估算藥量約為800g，通過在點(diǎn)火模擬容器和主發(fā)動機(jī)中進(jìn)行性能試驗來調(diào)整點(diǎn)火藥量，使其點(diǎn)火性能符合要求：在低溫下點(diǎn)火可靠，點(diǎn)火延遲時間滿足要求，高溫下點(diǎn)火壓強(qiáng)峰值不超過發(fā)動機(jī)最大工作壓強(qiáng)。點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的主裝藥由8個多孔藥環(huán)粘接成一體，自由裝填在點(diǎn)火發(fā)動機(jī)內(nèi)腔中，整個藥柱內(nèi)外燃面和兩端面同時燃燒。根據(jù)藥型結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，計算的發(fā)動機(jī)藥柱燃面——肉厚曲線見圖2。

圖2 燃面——肉厚曲線

運(yùn)用零維內(nèi)彈道計算模型，設(shè)計最大壓強(qiáng)按5MPa、噴管零燒蝕進(jìn)行內(nèi)彈道計算，預(yù)估的壓強(qiáng)——時間曲線見圖3。

圖3 壓強(qiáng)——時間預(yù)示曲線

通過理論計算，該型點(diǎn)火發(fā)動機(jī)燃燒時間約150ms，常溫下最大壓強(qiáng)為5MPa，平均壓強(qiáng)為4.5 MPa，該藥型的初始燃面大，在燃燒過程中，燃燒面相對穩(wěn)定，近似為等面燃燒，持續(xù)平穩(wěn)釋放能量可以保證均勻點(diǎn)燃主裝藥，使發(fā)動機(jī)在規(guī)定的時間內(nèi)建立起有效推力，同時不使點(diǎn)火壓強(qiáng)峰過高。預(yù)示曲線也顯示裝藥存在一定的殘藥，導(dǎo)致點(diǎn)火發(fā)動機(jī)拖尾段時間較長。

3.3 點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的單項性能試驗

經(jīng)過電點(diǎn)火管與藥環(huán)的匹配性試驗后，點(diǎn)火發(fā)動機(jī)經(jīng)過機(jī)械環(huán)境試驗，之后在點(diǎn)火模擬容器中進(jìn)行了高溫、低溫下6發(fā)單項點(diǎn)火試驗，試驗時同時對點(diǎn)火發(fā)動機(jī)內(nèi)部和點(diǎn)火模擬容器內(nèi)部進(jìn)行性能測試。點(diǎn)火模擬容器中測得的最大點(diǎn)火壓強(qiáng)約1.4MPa，最大壓強(qiáng)對應(yīng)時間約120ms，滿足點(diǎn)火發(fā)動機(jī)在點(diǎn)火模擬容器中的性能設(shè)計要求；點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的內(nèi)彈道性能試驗結(jié)果與理論計算基本吻合，如圖4所示。在實(shí)際工作過程中，部分殘藥隨氣流飛出，未參與全程燃燒，因此實(shí)測曲線的拖尾比理論曲線短，試驗曲線表明點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的單項性能滿足設(shè)計要求。

圖4 點(diǎn)火發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道性能試驗曲線

3.4 發(fā)動機(jī)驗證試驗

根據(jù)點(diǎn)火發(fā)動機(jī)單項試驗結(jié)果確定技術(shù)狀態(tài)后，隨發(fā)動機(jī)進(jìn)行了5發(fā)地面靜止試驗，發(fā)動機(jī)工作正常，在高溫下未形成點(diǎn)火壓力峰，低溫時發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火延遲時間在0.03～0.04s，滿足設(shè)計指標(biāo)不大于0.1s的技術(shù)要求。試驗表明運(yùn)用多孔藥型B-KNO3點(diǎn)火藥的點(diǎn)火發(fā)動機(jī)工作正常，點(diǎn)火性能滿足該型空地導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點(diǎn)火需要。

4 結(jié)論

采用濕壓法按一定配方和工藝可壓制成符合GJB6217規(guī)定要求的多孔型B-KNO3點(diǎn)火藥藥環(huán)。多孔型藥環(huán)增加了裝藥燃面，提高了裝填密度，自由裝填裝藥結(jié)構(gòu)簡化了點(diǎn)火發(fā)動機(jī)裝藥復(fù)雜性，提高了裝藥質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。采用多孔型B-KNO3點(diǎn)火藥運(yùn)用到點(diǎn)火發(fā)動機(jī)裝藥中尚屬首次，為點(diǎn)火發(fā)動機(jī)裝藥設(shè)計提供了一條新途徑。

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

[2] 李秋菊.某型點(diǎn)火發(fā)動機(jī)設(shè)計與試驗研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2005,25(41):71-73.

[3] 王凱民,張學(xué)舜.火工品工程設(shè)計與試驗[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[4] 潘功配,楊碩.煙火學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

[5] 葉淑琴,陳紅俊.某導(dǎo)彈點(diǎn)火裝置B-KNO3輸出裝藥設(shè)計及試驗[J].火工品,2008(5):25-27.

The Application of Porous B-KNO3Ignition Powder to Ignition Engine

WU Fei-chun，YU Xin

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

According to the structure characteristics of medium ignition engine used for solid rocket motor，a method of using B-KNO3ignition powder with porous grain configuration as the main charge of ignition engine is studied, which is aimed to increase burning area of the main charge and improve the packing fraction. Through the application ignition engine of rocket motor of some type air-to-ground missile, the porous B-KNO3ignition powder is validated, which provide a new approach for the charge design of medium-sized igniting engine.

Ignition powder；Boron-potassium nitrate；Charge design；Ignition engine

1003-1480（2015）03-0019-03

TQ562

A

2015-03-02

吳飛春（1969-），女，高級工程師，從事固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計工作。