李 建，吳飛春，刁吉陽，張 建，徐秋麗

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小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機點火性能試驗研究

李 建，吳飛春，刁吉陽，張 建，徐秋麗

（上海航天動力技術(shù)研究所，上海，201109）

為研究小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機點火性能的影響因素，通過單項點火試驗，測試了點火瞬態(tài)過程中有無高能點火藥、點火藥顆粒大小以及點火藥在藥盒中不同放置情況等狀態(tài)下的點火壓強曲線，并與發(fā)動機地面試車試驗進行對比。結(jié)果表明：有無高能點火藥和點火藥在藥盒中放置情況對點火性能有較大的影響；點火藥顆粒大小對點火性能基本無影響。說明單項點火試驗可為小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機點火性能的研究提供依據(jù)。

點火器；固體火箭發(fā)動機；點火性能；點火藥；粒度

小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機作為動力反推裝置被廣泛應用在單兵便攜式防空導彈型號中，具有工作時間短、工作可靠性高等優(yōu)點，對其點火延遲時間和點火初始壓強有較高的要求。國內(nèi)外研究人員對發(fā)動機點火過程進行了大量的試驗和理論研究，并建立各種點火模型[1-3]。一般來說，在發(fā)動機主裝藥確定以后，影響點火過程的主要因素是點火能量，點火能量與點火藥的種類、點火藥的顆粒度、點火藥量以及點火藥在藥盒中的放置情況等密切相關(guān)。點火能量過低，將導致藥柱局部表面無法點燃，從而使藥柱無法點燃或點火延時過長；點火能量過大，將導致發(fā)動機點火初始壓強峰過大，影響發(fā)動機的性能和殼體強度[4]。目前常用的點火藥有黑火藥、鎂/聚四氟乙烯高能點火藥以及硼/硝酸鉀等。

筆者結(jié)合工程實際，用模擬容器作為試驗裝置進行單項點火試驗，測試點火過程的壓強——時間曲線，分析發(fā)動機點火延遲時間、點火壓強與點火藥的關(guān)系，并結(jié)合發(fā)動機地面試車試驗進行對比分析，為研究發(fā)動機點火性能提供依據(jù)。

1 試驗裝置

某小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機為使點火壓強迅速建立，縮短點火延遲時間，噴管堵蓋打開設計壓強較大，僅靠點火器工作燃氣壓強不足以使堵蓋打開，因此單項點火試驗可在密閉的試驗裝置中進行。典型的發(fā)射級固體火箭發(fā)動機采用自由裝填式裝藥，裝藥為端面燃燒，點火方式為頭部點火。根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點，設計了圖1所示的單項點火試驗裝置。試驗裝置殼體為不銹鋼材料，內(nèi)腔與發(fā)動機狀態(tài)一致；模擬藥柱為不可燃的膠木棒加工成型，與真實藥柱尺寸相同；噴管為試驗悶頭；點火器為不同點火藥種類、不同點火藥量以及不同點火藥放置位置等多組產(chǎn)品。

圖1 試驗裝置

由于發(fā)動機直徑和軸向尺寸較?。ň?0mm以內(nèi)），壓力傳感器安裝位置對測得的壓強——時間曲線沒有影響，為了便于加工和安裝，壓力傳感器安裝在發(fā)動機頭部[5]。

2 單項點火試驗與分析

2.1 有無高能點火藥對點火性能的影響

采用點火藥為1.6g HY4黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點火藥和1.6g HY4黑火藥兩個狀態(tài)的點火器，在試驗裝置中進行常溫單項試驗，試驗曲線如圖2所示。

圖2 有無高能藥的點火器點火壓強曲線

從圖2中可以看出，無高能點火藥的點火器其點火延遲時間比有高能點火藥的時間長4～6ms，在點火初期20ms內(nèi)，升壓速率沒有明顯差異；當工作20ms后，有高能點火藥的點火器壓強持續(xù)增強，沒有高能藥的點火器壓強則下降后再緩慢升高；在點火延遲時間點后20ms時，無高能點火藥的點火器比有高能點火藥的點火器點火壓強小2MPa左右。

在相同黑火藥藥量下，混合0.4g高能點火藥，可增加點火的持續(xù)性和降低點火性能的離散性。因此，設計點火器時，在初始壓強允許的條件下，可用高能點火藥作為主點火藥的補充，有效縮短點火延遲時間，提高點火性能。

2.2 點火藥顆粒大小對點火性能的影響

HY-5黑火藥的粒度比HY-4黑火藥略小，燃燒時燃面稍大，一般來說，相同藥量下點火器中HY-5黑火藥的最大壓強比HY-4黑火藥的最大壓強略大。

采用點火藥為1.6g HY4黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點火藥和1.6g HY5黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點火藥兩個狀態(tài)的點火器，在試驗裝置中進行常溫單項試驗，試驗曲線如圖3所示。

圖3 不同點火藥顆粒的點火器點火壓強曲線

兩種不同點火藥顆粒狀態(tài)，相同點火藥量下（總藥量為2.0g），在模擬容器中的最大壓強為8.438～9.128MPa，點火延遲時間為6.7～8.6ms ；點火延遲時間點20ms后的壓強在6.28～7.35MPa，裝填兩種不同顆粒度點火藥點火器的點火性能無明顯差異。說明對于該小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機，點火藥顆粒大小不會影響點火性能。

2.3 點火藥的放置對點火性能的影響

采用1.6gHY4黑火藥，將點火藥平鋪放置在藥盒底和堆放在藥盒一側(cè)，在試驗裝置中對這兩種狀態(tài)的點火器進行常溫單項試驗，試驗曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，點火藥集中放置在藥盒一側(cè)時點火器的點火延遲時間比點火藥平鋪在藥盒底的點火延遲時間短4ms左右；兩種狀態(tài)點火器在點火初期20ms內(nèi)，升壓速率無明顯差異，在點火延遲時間點后20ms內(nèi)的點火性能無明顯差異。

圖4 點火藥不同放置方式下的點火器點火壓強曲線

在相同點火藥量下，當點火藥集中放置時，點火器點火延遲時間較點火藥平鋪分布時要短，且對點火器后續(xù)點火性能沒有影響。因此，在點火器設計時，可以通過改變點火藥的分布解決點火延遲時間長的問題，提高點火性能。

3 單項點火試驗與發(fā)動機點火試驗對比分析

將點火藥為1.6g HY4黑火藥+0.4g鎂/聚四氟乙烯高能點火藥的點火器，配套用于發(fā)射級固體發(fā)動機中，進行了高溫、常溫、低溫共6發(fā)地面試車試驗，采集點火延遲時間，并與單項點火試驗數(shù)據(jù)進行比較，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，在相同溫度條件下，單項點火試驗和發(fā)動機地面試車試驗的點火延遲時間基本相當。

表1 單項點火試驗和地面試車試驗數(shù)據(jù)

Tab.1 Comparison of single factor ignition test and ground ignition test results

通過點火器單項點火試驗與發(fā)動機點火試驗結(jié)果的比較，可以看出點火器單項點火試驗結(jié)果從很大程度上能夠反映點火器在實際發(fā)動機中的工作過程，以及對發(fā)動機點火性能產(chǎn)生的影響，驗證了單項點火試驗在小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機點火設計中的必要性和可行性，說明可以根據(jù)單項點火試驗結(jié)果對發(fā)動機點火性能做出預先判斷。

4 結(jié)論

針對小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機，在密閉模擬容器中進行點火器單項點火試驗，研究了點火藥種類、點火藥量以及點火藥放置情況對點火性能的影響，結(jié)合發(fā)動機地面試驗，可以得出以下結(jié)論：（1）在點火初期，有、無高能點火藥對升壓速率無明顯影響；在相同黑火藥藥量下，有適量的高能點火藥填充空隙，可縮短點火延遲時間、增加點火的持續(xù)性以及減小點火性能的離散。（2）相同藥量下，不同顆粒大小的點火藥對小型發(fā)射級固體發(fā)動機的點火性能無明顯影響。（3）點火藥集中放置于點火器中，可有效縮短點火延遲時間，提高發(fā)動機點火初期的點火性能。（4）在相同溫度條件下，說明單項點火試驗和發(fā)動機地面試車試驗的點火延遲時間基本相同，單項點火試驗可為發(fā)動機點火性能做出初步的預判，為小型發(fā)射級固體火箭發(fā)動機的設計提供依據(jù)。

[1] 張秋芳,等.單項點火試驗在小型固體發(fā)動機點火設計中的應用[J].火工品,2006(3):5-8.

[2] 劉赟,等.點火過程對小型固體火箭發(fā)動機內(nèi)彈道影響[J].含能材料,2013(1):75-79.

[3] 孫丕忠,等.微小型固體火箭發(fā)動機點火特性試驗[J].國防科技大學學報,2000(5):23-25.

[4] 鮑福廷,侯曉.固體火箭發(fā)動機設計[M].北京:中國宇航出版社,2016.

[5] 王琦,等.某固體燃氣發(fā)射器輸出壓力測試中傳感器的選擇與安裝[J].火工品,2017(5):46-49.

Experimental Investigation on Ignition Performance of Small Launching-usage Solid Rocket Motor

LI Jian，WU Fei-chun，DIAO Ji-yang，ZHANG Jian，XU Qiu-li

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

In order to study the influence on ignition performance of small launching-usage solid rocket motor, through single factor ignition test, the pressuretime curves were tested, under the conditions of adding high energy ignition powder, changing the particle size of ignition powder, as well as changing the ignition powder placing position. Meanwhile, the test results of single factor ignition were compared to that of actual ignition test. As a result, the existence of the high-energy ignition powder and the placing position have significant effect on the ignition performance, while the effect of ignition powder particle size isn’t obvious. The single factor ignition test provides reliable ignition performance for the optimal design of small launching-usage solid rocket motor.

Igniter；Solid rocket motors；Ignition performance；Ignition powder；Particle size

1003-1480（2018）03-0006-03

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.002

2018-01-12

李建（1985 -），男，工程師，主要從事固體火箭發(fā)動機設計研究。