呂 帥

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

空空導(dǎo)彈要求響應(yīng)速度快、使用便捷、質(zhì)量小、抗過載能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、隱身性能好和耐大溫差使用環(huán)境等的使用條件，要求質(zhì)量占50%以上的動(dòng)力系統(tǒng)的能量來源優(yōu)先采用高能少煙推進(jìn)劑。高能少煙推進(jìn)劑具備高能量、低特征信號(hào)、抗大過載、耐大溫差和高工作壓強(qiáng)等使用特性[1]。

目前，國內(nèi)適合空空導(dǎo)彈的成熟高性能推進(jìn)劑較單一，在新型的性能先進(jìn)的空空導(dǎo)彈研制前期，對(duì)作為其動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑做預(yù)先研究，并進(jìn)行改進(jìn)提高，研制出性能穩(wěn)定的高能少煙推進(jìn)劑，是非常必要也是非常重要的。本文就推進(jìn)劑燃速、比沖、壓強(qiáng)指數(shù)和低溫性能等主要應(yīng)用參數(shù)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過擬合分析進(jìn)行參數(shù)反演，向推進(jìn)劑研制單位提出參數(shù)改進(jìn)要求，以滿足空空導(dǎo)彈的應(yīng)用需求[2]。

1 研究方法和研究重點(diǎn)

針對(duì)為新型的性能先進(jìn)的空空導(dǎo)彈研制開發(fā)高性能動(dòng)力系統(tǒng)為應(yīng)用背景，開展推進(jìn)劑的前期應(yīng)用研究。研究步驟如下：1)根據(jù)實(shí)際需求，選取性能較為優(yōu)越、使用條件較為符合的推進(jìn)劑；2)依據(jù)廠家提供的性能參數(shù)，結(jié)合使用要求(主要是工作壓強(qiáng)、溫度等)做初步設(shè)計(jì)，并進(jìn)行內(nèi)彈道理論計(jì)算；3)進(jìn)行試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，得出推進(jìn)劑的實(shí)際性能參數(shù)；4)通過擬合分析進(jìn)行參數(shù)反演，得出仿真計(jì)算結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出參數(shù)指標(biāo)的偏差情況；5)推進(jìn)劑生產(chǎn)廠家依據(jù)上述參數(shù)對(duì)推進(jìn)劑做改進(jìn)研制；6)經(jīng)過反復(fù)幾輪優(yōu)化過程，直到推進(jìn)劑的參數(shù)指標(biāo)滿足要求，并可以應(yīng)用到工程研制中。

整個(gè)優(yōu)化過程及研究重點(diǎn)如圖1所示。

2 研究范例

根據(jù)空空導(dǎo)彈對(duì)推進(jìn)劑的高能、低特征信號(hào)的要求及國內(nèi)推進(jìn)劑現(xiàn)狀，選取高能少煙縮水甘油疊氮基聚醚推進(jìn)劑(GAP)復(fù)合推進(jìn)劑(以下簡(jiǎn)稱A產(chǎn)品)和高能少煙改性雙基推進(jìn)劑(以下簡(jiǎn)稱B產(chǎn)品)進(jìn)行研究。

圖1 優(yōu)化過程及研究重點(diǎn)流程圖

A產(chǎn)品由新的含能粘合劑、含能增塑劑及氧化劑組成。其既能提高推進(jìn)劑比沖，又能減少排氣尾煙。B產(chǎn)品是在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較早的推進(jìn)

劑，在火箭彈、炮彈和各種小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。這種推進(jìn)劑成本低，三氧化二鋁含量低(1.5%)，尾煙少；但貼壁澆注困難。由于這2種推進(jìn)劑具有各自優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)這2種不同體系的推進(jìn)劑同時(shí)進(jìn)行應(yīng)用研究，分別挖掘兩者的潛在優(yōu)勢(shì)，并作比較，最后從綜合性能和成熟性等方面綜合考量，以期取其優(yōu)者應(yīng)用到新型號(hào)研制中。下面就從幾個(gè)典型的試驗(yàn)考核過程出發(fā)，對(duì)推進(jìn)劑做性能分析與型號(hào)應(yīng)用的預(yù)先研究。

3 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

采用常用的φ130試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)(見圖2)，帶測(cè)壓孔。采用石墨噴管。裝藥可采用自由裝填式或貼壁澆注式。藥型的具體結(jié)構(gòu)經(jīng)過下面的理論計(jì)算來確定。

圖2 φ130試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)剖面圖

4 理論計(jì)算

4.1 內(nèi)彈道曲線和藥型設(shè)計(jì)

采用典型的馬鞍型內(nèi)彈道曲線和成熟的七角星型裝藥[3]，理論內(nèi)彈道曲線及藥型截面圖如圖3所示。

圖3 理論內(nèi)彈道曲線及藥型截面圖

4.2 參數(shù)確定及計(jì)算

主要計(jì)算公式如下[4]：

r=aPn

(1)

(2)

(3)

式中，P是壓強(qiáng)；a是燃速系數(shù)；ρ是推進(jìn)劑密度；C*是特征速度；Ab是燃面；At是噴管喉部面積；n是壓強(qiáng)指數(shù)；Ip是比沖；CF是推力系數(shù)；r是推進(jìn)劑燃速。

廠家提供的數(shù)據(jù)包括比沖Ip、燃速r(6 MPa條件下)、壓強(qiáng)指數(shù)n和密度ρ等。φ130發(fā)動(dòng)機(jī)藥型確定后，初始燃面Ab0也就確定了，擴(kuò)張比對(duì)于推進(jìn)劑能量發(fā)揮的充分與否有關(guān)，空空導(dǎo)彈擴(kuò)張比約為1.5～8，采用4這個(gè)擴(kuò)張比值適中。

據(jù)式1算出燃速系數(shù)a。預(yù)估計(jì)算時(shí)推力系數(shù)CF取1.5，據(jù)式2算出特征速度C*。結(jié)合對(duì)實(shí)際需要的平均工作壓強(qiáng)取一個(gè)值(典型的高壓段為8～16 MPa，低壓段為3～6 MPa)，根據(jù)式3得出At，可進(jìn)一步算出喉徑rt[5]。

4.3 內(nèi)彈道仿真計(jì)算

目前國內(nèi)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道仿真計(jì)算軟件比較多，基本都遵循平行層燃速原理，結(jié)合設(shè)計(jì)的藥柱具體內(nèi)型面等幾何尺寸進(jìn)行建模，對(duì)推進(jìn)劑主要參數(shù)進(jìn)行反演。本文采用專業(yè)軟件工具(固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SRMCAD)來進(jìn)行內(nèi)彈道仿真計(jì)算。

4.3.1 推進(jìn)劑性能參數(shù)

A產(chǎn)品和B產(chǎn)品廠家提供的推進(jìn)劑性能參數(shù)見表1，其中B產(chǎn)品包括螺壓藥柱和粒鑄藥柱等2種裝藥工藝產(chǎn)品。

表1 推進(jìn)劑性能參數(shù)(廠家提供)

4.3.2 內(nèi)彈道曲線

按照A產(chǎn)品和B產(chǎn)品廠家提供的參數(shù)，得出理論內(nèi)彈道曲線圖如圖4所示。

圖4 理論內(nèi)彈道曲線

根據(jù)實(shí)際參數(shù)(推進(jìn)劑參數(shù)等)及工作需求(工作壓強(qiáng)等)做的合理假設(shè)和計(jì)算，保證了內(nèi)彈道與實(shí)際工作狀態(tài)比較接近，使推進(jìn)劑性能考核具有針對(duì)性和實(shí)際參考價(jià)值。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5臺(tái)A產(chǎn)品和B產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表2，點(diǎn)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。其中，A-1發(fā)動(dòng)機(jī)低溫-50 ℃點(diǎn)火0.1 s爆炸，A-2發(fā)動(dòng)機(jī)在工作接近結(jié)束時(shí)喉襯碎裂被打出。

表2 A產(chǎn)品和B產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

表3 A、B產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 參數(shù)反演與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析[6]

6.1 A產(chǎn)品分析

對(duì)于A-1產(chǎn)品低溫-50 ℃點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火延遲時(shí)間約為0.087 s，在1.02 s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)還未正常建壓就發(fā)生了爆炸，說明A產(chǎn)品低溫性能不能滿足空空導(dǎo)彈-50 ℃的使用要求，需提高A產(chǎn)品低溫工作性能。

對(duì)于A-2產(chǎn)品常溫+23 ℃點(diǎn)火試驗(yàn)，壓強(qiáng)曲線對(duì)比圖如圖5所示。通過對(duì)比分析可知，曲線1較曲線3整體高出25%～40%且抬升快，推進(jìn)劑實(shí)際燃速和壓強(qiáng)指數(shù)比廠家提供的高。通過曲線2仿真計(jì)算得出，推進(jìn)劑實(shí)際燃速為13 mm/s, 壓強(qiáng)指數(shù)為0.48(對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為10～23 MPa)。

圖5 壓強(qiáng)曲線對(duì)比(A-2)

石墨噴管在壓強(qiáng)約為23.7 MPa時(shí)破碎被打出，主要由于石墨結(jié)構(gòu)完整性在高壓下被破壞，而石墨破碎的原因是否與使用的這種高能少煙推進(jìn)劑有關(guān)，需要做更多的試驗(yàn)來驗(yàn)證、分析。

綜上，A產(chǎn)品壓強(qiáng)指數(shù)過高，壓力曲線抬升太快，使初始?jí)簭?qiáng)和最高壓強(qiáng)相差太大，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁厚的減重設(shè)計(jì)，同時(shí)，壓強(qiáng)太高對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、殼體設(shè)計(jì)和噴管設(shè)計(jì)等都會(huì)帶來不利影響；因此，A產(chǎn)品需降低壓強(qiáng)指數(shù)。

6.2 B產(chǎn)品分析

對(duì)3臺(tái)B產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)曲線與理論仿真曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 理論曲線與試驗(yàn)曲線的仿真

通過分析可知：1)B-1、B-2采用螺壓工藝裝藥的內(nèi)彈道與預(yù)期比較符合，廠家提供的參數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的推進(jìn)劑性能參數(shù)基本一致;2)B-3采用粒鑄工藝裝藥的內(nèi)彈道與預(yù)期偏差較大，通過仿真計(jì)算得出實(shí)際壓強(qiáng)指數(shù)為0.57，燃速為14.5 mm/s(10 MPa)。

6.3 分析結(jié)論

通過推進(jìn)劑參數(shù)反演與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，可以得出如下結(jié)論。

1)A產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：鋁粉含量為1%，尾煙極少。缺點(diǎn)：壓強(qiáng)指數(shù)稍偏高；推進(jìn)劑的低溫力學(xué)性能較差；高壓條件下燃速增加較大。A產(chǎn)品裝藥在降低壓強(qiáng)指數(shù)、提高低溫力學(xué)性能和控制燃速等方面還需要進(jìn)一步的研究。由于發(fā)動(dòng)機(jī)沒有正常工作結(jié)束，所以沒能考核出推進(jìn)劑的能量特性。

2)B產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：三氧化二鋁含量為1.5%，尾煙極少；螺壓裝藥工藝燃速控制相對(duì)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓強(qiáng)指數(shù)較高；粒鑄裝藥工藝高壓條件下燃速增加較大；穩(wěn)定工作的壓強(qiáng)適應(yīng)范圍較窄，中壓(10 MPa左右)工作相對(duì)穩(wěn)定；低壓(≤5 MPa)能量水平較低。B產(chǎn)品裝藥在降低壓強(qiáng)指數(shù)、控制燃速等方面還需要進(jìn)一步的研究。高溫及低溫情況下的性能考核還未開展，尚需進(jìn)一步研究。

7 結(jié)語

綜上分析，目前的A產(chǎn)品和B產(chǎn)品從數(shù)據(jù)(高壓比沖大等)和試驗(yàn)現(xiàn)象(噴管尾部燃?xì)饬骷げ黠@，且煙很少)看，符合高能、少煙的特性；但是，2種推進(jìn)劑都尚不能完全滿足空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。需要裝藥廠家重點(diǎn)對(duì)推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)控制及低溫性能做進(jìn)一步的研究改進(jìn)，并進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證考核，以期優(yōu)化研制出高性能推進(jìn)劑，應(yīng)用到新型號(hào)研制中。

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