王 碩，王一白，陳 錚，曹熙煒，劉 宇

（1.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京100191；2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海201109；3.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076）

雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軟隔板破裂試驗(yàn)研究

王 碩1，王一白1，陳 錚2，曹熙煒3，劉 宇1

（1.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京100191；2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海201109；3.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076）

為研究雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軟隔板破裂和應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種端面軟隔板。對(duì)隔板作預(yù)制刻痕處理，在隔板上形成多個(gè)正方形方塊。刻痕的寬度及間距取決于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，隔板破裂時(shí)產(chǎn)生碎片不堵住噴管。進(jìn)行了二脈沖點(diǎn)火器試驗(yàn)、二脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)、雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)三個(gè)階段的隔板破裂試驗(yàn)，并對(duì)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)隔板的受力進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)隔板在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中及時(shí)合理破裂，仿真所得隔板破裂位置與試驗(yàn)結(jié)果吻合。試驗(yàn)隔板破裂發(fā)生在凹腔邊緣處和隔板上的圓型刻痕處，在隔板表面施加預(yù)制刻痕，隔板破裂形成的碎片基本被排出發(fā)動(dòng)機(jī)，且能使隔板破裂更具有規(guī)律性。隔板破裂試驗(yàn)研究對(duì)隔板設(shè)計(jì)有重要的意義。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；雙脈沖；軟隔板；隔板設(shè)計(jì)；破裂試驗(yàn)；點(diǎn)火試驗(yàn)；數(shù)值仿真；應(yīng)力分布

0 引言

雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立的兩級(jí)工作裝藥，可間隔工作，具有增加射程、增大末端速度和提高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，受到了越來(lái)越多的重視［1－3］。目前雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已在多種導(dǎo)彈上得到了應(yīng)用，其中代表性的有SRAM空對(duì)地導(dǎo)彈、標(biāo)準(zhǔn)3型導(dǎo)彈、IDRA地空導(dǎo)彈［4－6］。對(duì)雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了全面研究。德國(guó)拜恩聯(lián)合化學(xué)推進(jìn)技術(shù)中心研制了一種鋁質(zhì)隔膜試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功進(jìn)行了一系列點(diǎn)火試驗(yàn)，該雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)彈上成功完成了飛行試驗(yàn)［7－10］。加拿大國(guó)防科學(xué)研究中心CARRIER等研制了一種陶瓷隔板雙脈沖試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功進(jìn)行了多次點(diǎn)火試驗(yàn)［11－12］。文獻(xiàn)［13］提出了一種雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鋁質(zhì)隔板的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)鋁質(zhì)隔板進(jìn)行了耐壓和破裂試驗(yàn)。文獻(xiàn)［14］分析了雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軟隔板絕熱效果和溫度變化。文獻(xiàn)［15］對(duì)軟隔板雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)點(diǎn)火延遲進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

根據(jù)隔板工作時(shí)所受載荷的不同和隔板材料的差異，雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)可分為硬隔板和軟隔板兩種。雖然有關(guān)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的研究較多，但主要集中于硬隔板雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)隔板設(shè)計(jì)與破裂試驗(yàn)較少。隔板的結(jié)構(gòu)型式及在雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的破裂行為，會(huì)影響雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，因此開(kāi)展軟隔板雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的隔板破裂試驗(yàn)對(duì)掌握隔板設(shè)計(jì)型式和設(shè)計(jì)參數(shù)有重要的意義。本文針對(duì)端燃軟隔板試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)加工，開(kāi)展了二脈沖點(diǎn)火器試驗(yàn)、二脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)、雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)三個(gè)階段的隔板破裂試驗(yàn)，通過(guò)良好的隔板設(shè)計(jì)以保證雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及隔板設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)一脈沖和二脈沖不同的裝藥類(lèi)型，隔板設(shè)計(jì)的型式也有多種，隔板的主要型式有端面隔板、內(nèi)孔隔板等。

雙脈沖試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用端面隔板型式，其工作參數(shù)為：一脈沖工作壓強(qiáng)1MPa，工作時(shí)間30s；二脈沖工作壓強(qiáng)1.5MPa，工作時(shí)間10s；脈沖間隔時(shí)間10s。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)組成包括一級(jí)藥柱、二級(jí)藥柱、燃燒室殼體組件、噴管、隔板及二脈沖點(diǎn)火器組件、測(cè)壓管等，如圖1所示。其中：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體由不銹鋼制成；噴管喉襯材料為鎢滲銅；兩級(jí)裝藥均采用雙基推進(jìn)劑，藥柱采用自由裝填方式；燃燒室絕熱層材料為玻璃鋼、噴管絕熱層材料為高硅氧。

1.2 隔板設(shè)計(jì)

雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)中隔板的設(shè)計(jì)應(yīng)注意：有效的熱防護(hù)作用，避免使該側(cè)溫度過(guò)度上升，從而點(diǎn)燃二級(jí)點(diǎn)火藥；在第二級(jí)脈沖工作時(shí)隔板要及時(shí)合理地破裂，一使隔板破裂的范圍遠(yuǎn)大于噴管喉部面積，二使隔板的碎片不堵到噴管；隔板的破裂強(qiáng)度小于隔板的粘接強(qiáng)度；隔板的厚度與點(diǎn)火藥量的對(duì)應(yīng)關(guān)系［15］。

隔板采用的材料為聚氨酯。其主要物性參數(shù)為：密度1.25g／cm3；拉伸強(qiáng)度60MPa；線(xiàn)膨脹系數(shù)1.3×10－4K；伸長(zhǎng)率10%；泊松比0.35；拉伸模量3GPa。

隔板如圖2所示。在雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)階段，對(duì)隔板作預(yù)制刻痕的處理，刻痕的寬度，以及刻痕間的距離根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的設(shè)計(jì)參數(shù)選定，處理后的隔板上形成多個(gè)正方形的小塊。為使設(shè)計(jì)的隔板在二脈沖工作時(shí)破裂產(chǎn)生的碎片不堵住噴管，試驗(yàn)噴管的喉部直徑16mm，理論上若隔板能均勻破裂，則隔板上相鄰兩條預(yù)制刻痕間的距離應(yīng)小于11.3mm?？毯鄣脑O(shè)計(jì)寬度2mm，相鄰刻痕間距離10mm，刻痕深度1mm。隔板上加工了一個(gè)半徑62.5mm、寬度2mm、深度1mm的圓形刻痕，以保證隔板破裂時(shí)不影響絕熱層結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程分三個(gè)階段進(jìn)行：二脈沖點(diǎn)火器試驗(yàn)；二脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)；雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)。

2.1 二脈沖點(diǎn)火器試驗(yàn)

為探究隔板破裂行為，試驗(yàn)初期設(shè)計(jì)了二脈沖點(diǎn)火器試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)二脈沖藥柱采用假藥柱，為便于與隔板及包覆層的粘接，二脈沖假藥柱使用聚氨酯材料。

在隔板中心加工圓形凹腔（直徑75mm），隔板表面無(wú)刻痕，將二脈沖點(diǎn)火器安裝在隔板凹腔內(nèi)并固定。點(diǎn)火器采用的是片狀點(diǎn)火器（外徑75mm），點(diǎn)火器的導(dǎo)線(xiàn)由片狀點(diǎn)火藥中間引出，點(diǎn)火器與隔板二級(jí)藥柱等相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由測(cè)得的壓力時(shí)間曲線(xiàn)可知：在隔板與假藥柱形成的腔內(nèi)，質(zhì)量3g的點(diǎn)火藥可形成壓強(qiáng)5.5MPa，但實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得的第一個(gè)壓強(qiáng)峰僅為0.3MPa，這表明此時(shí)隔板可能已破裂（但基本形狀還保持完好），黑火藥形成的燃?xì)庖褟母舭迮c假藥柱形成的腔內(nèi)流出（否則，壓強(qiáng)傳感器測(cè)不到壓強(qiáng)）［15］。另外，從試驗(yàn)錄像可發(fā)現(xiàn)：點(diǎn)火后噴管出口冒出一陣煙，此后過(guò)了數(shù)秒，片狀點(diǎn)火器工作，隔板迅速地被從薄弱位置（直徑75mm的圓）剪切并形成碎片噴出喉部。這與試驗(yàn)測(cè)得壓強(qiáng)曲線(xiàn)過(guò)程一致。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在片狀點(diǎn)火器形成的燃?xì)庾饔孟拢舭逋耆搭A(yù)定的位置破裂并形成碎片，試驗(yàn)中碎片未對(duì)噴管造成堵塞。

2.2 二脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究在實(shí)際工作中隔板的破裂行為，以及隔板型式對(duì)雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響，設(shè)計(jì)了二脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)對(duì)隔板進(jìn)行了改進(jìn)：增大了隔板的凹腔體積，隔板的有效厚度不變；為保證隔板不被第一脈沖壓力壓破，在隔板與點(diǎn)火器的空腔中加入航空海綿，片狀點(diǎn)火器直徑不變；同時(shí)為考察隔板在實(shí)際工作過(guò)程中的破裂情況，二脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)二脈沖藥柱為真實(shí)藥柱。

隔板與點(diǎn)火器組件、二脈沖裝藥與包覆層的連接如圖4所示。

由燃燒室的壓力時(shí)間曲線(xiàn)可知：二脈沖藥柱被成功點(diǎn)燃；增大隔板凹腔可顯著減小二脈沖點(diǎn)火器點(diǎn)火時(shí)的初始?jí)毫Ψ澹?5］。試驗(yàn)后隔板破裂情況如圖5所示。由圖5可知：隔板從凹腔最邊緣（直徑125mm）處破裂，碎片大部分都排出，留下少量部分散落在燃燒室，其中有4～5塊尺寸較大，說(shuō)明隔板破裂不太規(guī)律。

2.3 雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)

為研究隔板的結(jié)構(gòu)型式及其在一、二級(jí)工作過(guò)程中的破裂行為，對(duì)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響，設(shè)計(jì)了雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)。

為研究不同隔板結(jié)構(gòu)型式對(duì)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響，在雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)僅對(duì)隔板組件進(jìn)行了改進(jìn)：將隔板中間的凹腔改為刻痕，刻痕在面向二脈沖藥柱的一側(cè)，隔板厚度不變，刻痕深度1mm。其余隔板組件與二脈沖藥柱等結(jié)構(gòu)的連接如圖6所示。

不同時(shí)間的壓強(qiáng)如圖7所示。由圖7可知：兩級(jí)藥柱均正常工作，點(diǎn)火間隔約10s，滿(mǎn)足給定的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)后隔板破裂如圖8所示。由圖8可知：隔板從最邊緣的刻痕處（直徑125mm）處破裂，燃燒室內(nèi)基本無(wú)隔板碎片。試驗(yàn)結(jié)果表明：隔板完全按預(yù)定的位置破裂，試驗(yàn)中二脈沖藥柱工作時(shí)壓強(qiáng)曲線(xiàn)平穩(wěn)，隔板碎片未對(duì)噴管造成堵塞。

對(duì)比加工凹腔的軟隔板，預(yù)制刻痕的軟隔板破裂時(shí)更具規(guī)律性。

第三階段試驗(yàn)中二脈沖點(diǎn)火器工作時(shí)隔板及二脈沖藥柱仿真的應(yīng)力如圖9所示。計(jì)算模型為二維軸對(duì)稱(chēng)模型；隔板內(nèi)側(cè)施加1.25MPa壓力載荷，包覆層的下部施加y向的約束，包覆層右側(cè)施加x向的約束。

由圖9可知：隔板中間空腔位置的應(yīng)力較小，越接近往隔板邊緣處，隔板上的應(yīng)力越大；應(yīng)力最大位置在最邊緣的刻痕處（直徑125mm）處，達(dá)到了41MPa，這與試驗(yàn)結(jié)果中的隔板破裂發(fā)生在隔板最邊緣刻痕處吻合。

3 結(jié)論

本文對(duì)端面軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的隔板破裂試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：本文通過(guò)在隔板表面進(jìn)行預(yù)制刻痕或加工凹腔處理，可使二脈沖藥柱工作時(shí)隔板及時(shí)合理破裂，雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；隔板破裂的位置發(fā)生在凹腔邊緣處和隔板上的圓型刻痕處；在隔板表面加工刻痕處理可使隔板破裂更具規(guī)律性。由本文軟隔板的破裂試驗(yàn)研究可知：在隔板表面加工刻痕可作為實(shí)際應(yīng)用時(shí)雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的軟隔板設(shè)計(jì)方法，但對(duì)隔板碎片在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法得出確切結(jié)論。因此，在進(jìn)一步研究雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軟隔板的破裂規(guī)律時(shí)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行內(nèi)視研究，以觀(guān)察隔板破裂和碎片運(yùn)動(dòng)的真實(shí)情況。本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為：采用良好的隔板設(shè)計(jì)，可保證雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，在隔板表面加工刻痕能使隔板破裂更具規(guī)律性。

［1］ 阮崇智.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［J］.固體火箭技術(shù)，2002，25（2）：8－12.

［2］ 劉廷國(guó)，何洪慶.多脈沖能量控制在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中的作用［J］.推進(jìn)技術(shù)，1998，19（5）：110－114.

［3］ STADLER L J，HUBER J，F(xiàn)RIEDEMANN D.The double pulse motor demonstrator MSA［C］／／AIAA／ASME／SAE／ASEE Joint Propulsion Conference.Nashville：［s.n.］，2010－6755.

［4］ 畢世龍.多脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)隔離裝置發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.飛航導(dǎo)彈，2011（9）：88－92.

［5］ 邢繼發(fā).世界導(dǎo)彈與航天發(fā)動(dòng)機(jī)大全［M］.北京：軍事科學(xué)出版社，1999.

［6］ 王春光，劉洪超，楊德敏.脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)隔離裝置發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.航空兵器，2012，10（5）：48－51＋60.

［7］ NAUMANN K W，STADLER L J.Double pulse solid rocket motor technology applications and technical solutions［C］／／AIAA／ASME／SAE／ASEE Joint Propulsion Conference.Nashville：［s.n.］，2010－074－SR－5.

［8］ STADLER L J，TROUILLOT P，RIENCKER C，et al.The dual pulse motor for LFK NG［R］.AIAA，2006－4726，2006.

［9］ TROUILLOT P，AUDRI D，RUIZ S.Design of internal thermal insulation and structures for the LFKNG double－pulse motor［R］.AIAA，2006－4763，2006.

［10］ SCHILLING S，TROUILLOT P.On the development and testing of a 120mm caliber double pulse motor（DPM）［R］.AIAA，2004－3387，2004.

［11］ CARRIER J L，CONSTANTINOU T，HARRIS P G，et al.Dual－interrupted－thrust pulse motor［R］.AIAA，86－1576，1986.

［12］ CARRIER J L.Solid rocket motor with dual interrupted thrust：US 4972673［P］.1990－11－27.

［13］ 石瑞，王長(zhǎng)輝，萇艷楠.雙脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)鋁膜隔板設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究［J］.固體火箭技術(shù)，2013，36（2）：190－194.

［14］ 王春光，田維平，任全彬，等.脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)中隔層工作過(guò)程的數(shù)值分析及試驗(yàn)［J］.推進(jìn)技術(shù)，2012，33（5）：791－794＋830.

［15］ 曹熙煒，任軍學(xué)，王長(zhǎng)輝，等.軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)點(diǎn)火延遲試驗(yàn)分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38（2）：244－246.

Fracture Test of Soft－Clapboard in Dual－Pulse Solid Rocket Motor

WANG Shuo1，WANG Yi－bai1，CHEN Zheng2，CAO Xi－wei3，LIU Yu1
（1.School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute，Shanghai 201109，China；3.Research of Development Center，China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

In order to study the fracture progress and distribution of stress of dual－pulse solid rocket motor，a sort of soft－clapboard was designed.The nicks were made on the clapboard and many quadrants were formed.The width and distance of nicks were determined by motor parameters to make sure that the nozzle would not be plugged by fragments while the clapboard was breaking.The second pulse igniter test，the second pulse performance test and the dual pulse performance test were conducted.At the same time the distribution of stress of the soft－clapboard was simulated.The result showed that the designed soft－clapboard fractured in proper way in time and the soft－clapboard fractured was identical to the result of test.The soft－clapboard fractured in the edge of cavity and the round nick of soft－clapboard.In the case that there were nicks on the soft－clapboard，almost all of the fragments from the fractured clapboard were ejected and the clapboard would burst more regularly.Clapboard fracture test has important meaning for designing clapboard.

solid rocket motor；dual－pulse；soft－clapboard；clapboard design；fracturing test；ignition test；Numerical simulation；stress distribution

V435

A

10.19328／j.cnki.1006－1630.2017.01.019

1006－1630（2017）01－0116－05

2016－09－08；

2016－10－16

王 碩（1993—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殡p脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。