柳洋 牛磊 董海平 馬文杰

摘 ?要：火藥點火器是我國現(xiàn)役新型運(yùn)載火箭氫氧發(fā)動機(jī)的重要件，為火箭發(fā)動機(jī)提供初始點火能源。由于液態(tài)氫氧溫度極低，導(dǎo)致該點火器工作前處于極低溫環(huán)境。該產(chǎn)品具有火藥燃?xì)饬髁看?、溫度低、產(chǎn)物清潔度高等特性，為產(chǎn)品的研制帶來很大的難度。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，基本解決了上述問題，但在后續(xù)試驗過程中，又暴露低溫工作可靠性低的問題。針對低溫工作出現(xiàn)故障的問題進(jìn)行故障分析與診斷，通過理論分析探究影響點火性能的影響因素，最后，通過試驗驗證主要影響點火性能的影響因素。本文介紹的分析故障、優(yōu)化改進(jìn)的思路，也為其他型號相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品可靠性提升提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：火藥點火器 ?低溫點火 ?低燃速雙基推進(jìn)劑 ?點火沖量

中圖分類號：TJ450 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0015-09

Failure Analysis and Improvement for Rocket Engine Igniter

LIU Yang1 ?NIU Lei2 ?Dong Haiping2 ?Ma Wenjie1 ?Yu Jiang3

（1.Beijing Aerospace Power Research Institute，Beijing， 100076 China; 2. National Key Laboratory， Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology，Beijing，100081 China;3.College of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing Institute of Technology，Beijing， 100081 China）

Abstract： The gunpowder igniter is an important part of the new-type carrier rocket oxyhydrogen engine in service in my country， which provides the initial ignition energy for the rocket engine. Due to the extremely low temperature of liquid hydrogen and oxygen， the igniter was in an extremely low temperature environment before it worked. The product has the characteristics of large gunpowder gas flow， low temperature and high product cleanliness， which brings great difficulties to the development of the product. After technical research， the above-mentioned problems were basically solved， but in the follow-up test process， the problem of low low-temperature working reliability was exposed. In view of the problem of failure in low temperature operation， fault analysis and diagnosis are carried out， and the influencing factors that affect the ignition performance are explored through theoretical analysis. Finally， the influencing factors that mainly affect the ignition performance are verified through experiments. The idea of analyzing faults and optimizing improvements introduced in this article also provides a reference for improving the reliability of other products with similar structures.

Key Words：gunpowder igniter; low temperature ignition; low burning rate dual-base propellant; Ignition impulse

火藥點火器是液體發(fā)動機(jī)的重要件，功能是在低溫條件下，利用固體推進(jìn)劑的燃燒火焰持續(xù)點燃液體發(fā)動機(jī)內(nèi)部液氫液氧其具有火藥燃?xì)饬髁看蟆Ⅻc火持續(xù)時間長、出口燃溫低等特性。該型號發(fā)動機(jī)的火藥點火器滿足上述特性的前提下，在后續(xù)試驗過程中，又暴露低溫工作可靠性低的問題。本文將探究點火器低溫工作可靠性低的影響因素，得到一些基本規(guī)律，并通過試驗進(jìn)行驗證，為火藥點火器的后期改進(jìn)提供參考。

1 ?火藥點火器方案介紹

如圖1所示，火藥點火器主要結(jié)構(gòu)包含殼體、電點火器、點火藥盒、火藥裝藥（下文簡稱推進(jìn)劑）、噴管[1]，其功能和原理接近小型固體火箭。

設(shè)計之初，要兼顧發(fā)動機(jī)點火要求流量大、低溫可靠點火、點火持續(xù)時間長、出口燃溫低、外廓尺寸限制、推進(jìn)劑不含覆層及固相燃燒產(chǎn)物少等限制因素。上述各因素相互限制，大大增加了研制難度。例如，流量大、持續(xù)時間長必然導(dǎo)致推進(jìn)劑藥量大，外廓尺寸會相應(yīng)增加;燃溫低會抑制低溫點火可靠性;持續(xù)時間長、推進(jìn)劑不含覆層必然導(dǎo)致燃面大，不利于維持工作時間，只能選取低燃速推進(jìn)劑，而低燃速推進(jìn)劑在低溫環(huán)境不易點火[2]。

1.1 火藥點火器關(guān)鍵性能參數(shù)

研制初期，進(jìn)行了上千發(fā)的匹配試驗，火藥裝藥的牌號最終確定為全燃面低燃速改性雙基推進(jìn)劑MLR（下簡稱MLR），點火藥盒選用硼硝酸鉀點火藥柱和小MLR藥柱的組合，電點火器選用成熟型號的雙橋鈍感電點火器，基本參數(shù)見表1。

1.2 工作機(jī)理

火藥點火器工作過程可分為4個階段。

（1）發(fā)火階段。操作人員或自動裝置接通點火電源，發(fā)火元件的橋絲發(fā)熱，點燃了橋絲周圍的熱敏火藥，熱敏火藥的火焰點燃加強(qiáng)藥，這一過程稱為發(fā)火階段。

（2）發(fā)火階段產(chǎn)生的火焰點燃點火藥（BPN）。點火藥燃燒后產(chǎn)生高溫高壓氣體，這種燃?xì)庵泻幸欢〝?shù)量的熾熱粒子，溫度約為2500～3000k，壓強(qiáng)達(dá)到7～11MPa。點火器向燃燒室內(nèi)排出的燃燒產(chǎn)物首先充滿燃燒室空腔、然后向噴管端流動，同時排擠和壓縮燃燒室內(nèi)原有的冷空氣。點火藥燃燒所產(chǎn)生的壓縮波則以更高的速度（音速）傳播，達(dá)到噴管端即發(fā)生反射。

（3）加熱、點燃推進(jìn)劑階段。點火藥燃?xì)馀c推進(jìn)劑藥柱表面接觸，便以對流、導(dǎo)熱和輻射方式向推進(jìn)劑藥柱傳熱，提高了推進(jìn)劑表面溫度，并在推進(jìn)劑受熱最強(qiáng)烈的地方，首先被加熱到發(fā)火點溫度，開始了點火。若條件具備，接著便產(chǎn)生初始火焰向整個推進(jìn)劑藥柱表面?zhèn)鞑?，這時推進(jìn)劑便進(jìn)入正常燃燒。

（4）推進(jìn)劑穩(wěn)定燃燒階段。在此階段，推進(jìn)劑藥柱在平衡工作壓力下（設(shè)計值6±0.5Mpa），按設(shè)計燃速全燃面自持燃燒，直至全部燒完。

其中，前三個階段統(tǒng)稱為點火階段，統(tǒng)計梳理該產(chǎn)品研制階段試驗情況發(fā)現(xiàn)，火藥點火器的所有故障都出自此階段，應(yīng)當(dāng)作為后續(xù)可靠性提升的重點關(guān)注環(huán)節(jié)[3]。

1.3 故障描述

火藥點火器方案定型后，噴管尺寸確定為φ3.6mm，但由于推進(jìn)劑批次性能存在差異，導(dǎo)致目前火藥點火器工作壓力波動較大，受溫度影響較為敏感，近幾個批次火藥點火器-40℃與50℃兩種工況下工作壓力峰12.23～28.97MPa[4]，見表2。此外，某一批次火藥點火器（C批次，簡稱故障批）還出現(xiàn)了低溫不穩(wěn)定燃燒甚至斷續(xù)燃燒的現(xiàn)象（見圖2～圖4），經(jīng)分析屬于異常狀態(tài)，推進(jìn)劑處于臨界燃速狀態(tài)，此狀態(tài)下火藥點火器工作可靠性很低，必須進(jìn)行改善[5]。

2 ?故障分析及改進(jìn)

2.1 低溫異常工作影響因素分析

結(jié)合試驗異常情況、低燃速推進(jìn)劑特性，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，影響低燃速雙基推進(jìn)劑點火的主要因素為點火時間、燃燒室壓力，尤其是在低溫工況下。此外，由于現(xiàn)有設(shè)計方案積累的成功樣本量較多，已具有較高的可靠性，改進(jìn)的主要方式應(yīng)為適應(yīng)性調(diào)整，即在繼承現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，對于火工品牌號、類別及傳火序列的調(diào)整不在優(yōu)先考慮范圍內(nèi)。

2.1.1 點火時間影響

點火時間指火藥點火器的電發(fā)火元件激發(fā)后，直至推進(jìn)劑進(jìn)入自持穩(wěn)定燃燒所需的時間，即點火滯后。在一定的條件下，點火滯后越短，越有利于火藥點火器可靠點火。

火藥點火器點火過程非常復(fù)雜，需考慮點火過程中推進(jìn)劑傳熱等過程，依據(jù)靜態(tài)點火理論，點火所需時間可由下式計算：

（1）

其中，λp為推進(jìn)劑的熱傳導(dǎo)系數(shù)，cp為推進(jìn)劑比熱容，ρp為推進(jìn)劑密度，αc為對流換熱系數(shù)，Tig為推進(jìn)劑的發(fā)火溫度點，Tg為火藥燃?xì)鉁囟?，T0為系統(tǒng)初始溫度。

對于一般雙基推進(jìn)劑，其點火時熱交換系數(shù)為：

（2）

其中，λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，μ為物性參數(shù)，m為質(zhì)量流率，d為特征尺寸。

由以上點火過程及公式可以看到，影響點火性能的主要因素有以下6類。

（1）推進(jìn)劑性質(zhì)。

λp、cp、ρp均為推進(jìn)劑固有特性，λp、cp、ρp乘積越大，點火滯后相應(yīng)增加，不利于點火。在推進(jìn)劑配方確定的前提下，推進(jìn)劑性質(zhì)調(diào)整空間相對較小。但不同批次間推進(jìn)劑上述特性存在差異也是客觀事實，可通過推進(jìn)劑工藝參數(shù)控制來縮小批次間的性能差異。

（2）點火藥性質(zhì)。

點火藥能量特性越高（燃溫Tg越高），點火滯后越小;點火燃?xì)庵泄腆w微粒越多，熱交換系數(shù)越大，點火滯后也越小。同樣的，在點火藥配方確定的前提下，改進(jìn)空間較小。

（3）點火藥量。

點火藥量越多，點火燃?xì)獾牧髁恳苍酱?，則熱交換系數(shù)也越大。但該火藥點火器在研制階段按《航天火工裝置通用規(guī)范》（GJB 1307A-2004）要求做了最大、最小輸入能量的裕度試驗，在低溫條件下，75%的點火藥量可以正常工作，表明點火藥量的裕度足夠，即點火藥量不是主要影響因子。繼續(xù)增加點火藥量對穩(wěn)定點火的提升相對較小，不作為優(yōu)先考慮的改進(jìn)方向。

（4）工作溫度。

推進(jìn)劑初溫越低，點火滯后越大。該火藥點火器的設(shè)計功能就是在低溫條件下可靠點火，工作溫度無法改變，此項不具備調(diào)整空間。

（5）裝藥通氣面積。

通氣面積越大，熱交換系數(shù)越小，點火滯后越大。由于推進(jìn)劑、火藥點火器殼體的外形尺寸受限于下游系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)尺寸兼容性，不具備調(diào)整空間。

（6）自由容積。

自由容積越大，火焰?zhèn)鞑r間和燃燒室充填時間越大，點火延遲也將越大。經(jīng)計算，火藥點火器初始自由容積約為50ml，在尺寸、輸出性能相近的小型點火器中已處于較小水平。此項改進(jìn)具有操作性，但改進(jìn)空間相對較小。

由于點火器及推進(jìn)劑為細(xì)長型結(jié)構(gòu)，長徑比達(dá)到了2.33，推進(jìn)劑及點火器殼體的徑向尺寸變化對于系統(tǒng)自由容積影響更加敏感。

其中，推進(jìn)劑外徑設(shè)計值為，殼體內(nèi)徑設(shè)計值為34±0.3。由于批次產(chǎn)品尺寸存在波動，選取合格范圍內(nèi)徑向空間最小的殼體、推進(jìn)劑進(jìn)行驗證試驗，工作曲線如圖5、圖6所示。通過對比試驗可以看出，減小自由容積可以提高點火器的輸出性能，但對于本產(chǎn)品來說，改善空間很小。

2.1.2 燃燒室壓力影響

在火藥點火器工作過程中，燃燒室壓力始終處于動態(tài)變化過程中。由于火藥點火器所選用推進(jìn)劑的壓力指數(shù)為0.1～0.5，且燃速較低，僅為3.5mm/s左右，在低溫工作過程中，對于燃速的動態(tài)變化較為敏感。維耶里燃速公式中

u=aPn（3）

其中a為燃速系數(shù)，n為壓力指數(shù)，都為正值的情況下，動態(tài)燃速u會隨著燃燒室壓力P的升高而增加。

此外，所選用的MLR推進(jìn)劑低溫臨界壓力偏高，在3.5Mpa左右，如點火階段燃燒室壓力接近或低于3.5Mpa也會導(dǎo)致推進(jìn)劑無法穩(wěn)定燃燒。

在平衡壓強(qiáng)公式中

（4）

K代表燃喉比

燃喉比是固體火箭發(fā)動機(jī)的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，式中代表推進(jìn)劑的燃面面積，代表火藥點火器出口噴管的流通面積。由上述分析可知，當(dāng)推進(jìn)劑和初溫一定時，平衡壓強(qiáng)Pc，eq主要取決于燃喉比K值，平衡壓強(qiáng)Pc，eq與燃喉比K次方成正比，如圖7所示。

由可以看到，在一定意義上，可以表征燃?xì)獾馁|(zhì)量生成率mb，表征燃?xì)饨?jīng)過噴管的質(zhì)量流率md。燃喉比K值增加，意味著燃?xì)馍陕氏鄬τ趪姽苜|(zhì)量流率的增加，使平衡壓強(qiáng)增加，有利于推進(jìn)劑的點燃，同時也能增加點火燃?xì)庠谌紵覂?nèi)的停留時間，增大換熱量，減少點火燃?xì)獾牧鞒鲈斐赡芰繐p失，以保證推進(jìn)劑的可靠引燃[6]。

因此，在盡可能減少產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化、最大化利用已有批次火工藥劑的前提下，調(diào)整火藥點火器燃喉比是比較可行的措施。同時，燃喉比也是影響燃燒穩(wěn)定的重要因素。

2.1.3 點火沖量影響分析

將從p-t曲線0時刻到出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒的時刻與壓力的積分定義為點火沖量：

（6）

點火沖量也是作為描述點火能力特征量，不同噴管直徑下的點火沖量有顯著差異。分別進(jìn)行不同噴管喉徑的發(fā)火試驗，并計算點火沖量，喉徑d分別取3.52、3.42，如圖8所示。

故障批部分正常樣本點火沖量如表3所示。

結(jié)合上述分析及驗證試驗，通過采取提高燃喉比的改進(jìn)措施，點火器高低溫點火性能正常，點火延遲及彈道特性一致性良好，同時，點火沖量變化可以作為點火器工作狀態(tài)的重要監(jiān)測指標(biāo)。

2.2 推進(jìn)劑與噴管直徑匹配

由上述分析可知，如出現(xiàn)推進(jìn)劑批次性能偏低（如故障批推進(jìn)劑），在現(xiàn)有燃喉比的條件下，會導(dǎo)致低溫工作裕度不足。由于推進(jìn)劑已成型，燃面及自由空間無法調(diào)整，只能通過調(diào)整噴管尺寸來實現(xiàn)燃喉比的變化。

根據(jù)推進(jìn)劑批次性能波動較大這一實際情況，在每批推進(jìn)劑驗收試驗中增加與噴管的匹配試驗。

噴管尺寸固定的情況下，推進(jìn)劑的性能會直接反映到火藥點火器的輸出性能，而通過調(diào)節(jié)噴管尺寸，可以在一定范圍內(nèi)包容推進(jìn)劑的批次性能波動，從而提高火藥點火器的批次一致性。

2.3 噴管直徑裕度

在噴管匹配試驗的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)行匹配裕度的考核，確保系統(tǒng)受個體隨機(jī)因素影響的情況下，仍然能可靠工作。

因此，針對每批次的推進(jìn)劑，噴管尺寸X都存在一定的范圍。在一定條件下，噴管尺寸越接近臨界下限XL，則高溫壓力峰越接近火藥點火器額定工作壓力上限30MPa，這對于系統(tǒng)的安全性有較大影響;噴管尺寸越接近臨界上限XU，則火藥點火器的低溫工作可靠性降低，甚至出現(xiàn)斷續(xù)燃燒、熄火等現(xiàn)象。

搞清每批次推進(jìn)劑匹配噴管尺寸的上下限，對噴管尺寸的選取及性能匹配裕度都有很大幫助。以本型火藥點火器為例，新批次推進(jìn)劑驗收前，先進(jìn)行裕度摸底系列試驗確定了噴管尺寸的臨界值，如圖9、圖10所示。

以D批次推進(jìn)劑為例，通過高低溫系列噴管匹配試驗分析，該批次推進(jìn)劑配套噴管喉徑取3.6最合適。從曲線也可以看出，在噴管尺寸的臨界上限，低溫初始階段存在明顯凹坑，接近的臨界燃燒狀態(tài)（圖2）;噴管尺寸臨界下限，高溫壓力明顯升高，接近額定壓力上限30MPa。

3 ?改進(jìn)驗證

由上述分析可知，如出現(xiàn)推進(jìn)劑批次性能偏低（如故障批推進(jìn)劑），在現(xiàn)有燃喉比的條件下，會導(dǎo)致低溫工作裕度不足。由于推進(jìn)劑已成型，燃面及自由空間無法調(diào)整，只能通過調(diào)整噴管尺寸來實現(xiàn)燃喉比的變化。通過調(diào)節(jié)噴管尺寸，也可以在一定范圍內(nèi)包容推進(jìn)劑的批次性能波動，從而提高火藥點火器的批次一致性。在溫度為-40℃和其他條件不變的情況下，將噴管直徑調(diào)整為3.52mm和3.42mm分別做2發(fā)試驗，其點火沖量如表4所示。由表4可知，噴管直徑噴管為3.52mm相對故障批的點火沖量提高10%;噴管直徑噴管為3.42mm相對故障批的點火沖量提高22.72%;噴管直徑噴管為3.52mm相對直徑噴管為3.42mm點火沖量提高11.57%。由此可見，燃喉比對點火性能影響顯著。因此，在設(shè)計中選擇合理的燃喉比對提高點火器的功能可靠性至關(guān)重要。

3.1 驗證試驗

基于上述分析，本批次推進(jìn)劑匹配噴管直徑d擬確定為φ3.42，補(bǔ)充系列驗證試驗，數(shù)據(jù)見表5，工作曲線見圖11、圖12。

經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)果符合預(yù)期，本批次推進(jìn)劑噴管直徑d最終確定為φ3.42[7]。

3.2 改進(jìn)對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)影響分析

根據(jù)點火器裝藥量的差別，利用點火器身部壓力的積分?jǐn)?shù)據(jù)與喉部直徑的面積差異，計算得到每次試驗的燃燒修正系數(shù)，此修正系數(shù)反映了試驗中喉管流量系數(shù)、RT值及絕熱指數(shù)的修正系數(shù)不同。假設(shè)此修正系數(shù)在整個試驗中保持不變，則可根據(jù)每次試驗的總裝藥量、壓力積分、喉部面積計算得到此修正系數(shù)，再根據(jù)此修正系數(shù)可計算得到每一次試驗的流量曲線。由于發(fā)動機(jī)發(fā)生器點火發(fā)生在點火器通電后的0.3～0.4s，因此統(tǒng)計各次試驗0.3s及0.4s的發(fā)火流量。

經(jīng)分析，各次試驗在0.3s及0.4s時刻，小喉徑的試驗與正常喉徑的流量基本一致，均大于40g/s，滿足發(fā)動機(jī)組合件設(shè)計要求。

此外，對點火階段改進(jìn)前后點火器的燃?xì)饪偭髁窟M(jìn)行對比（見表6），-40℃低溫條件下，總流量提高約11.5%;50℃高溫條件下，總流量提高約28.8%，燃?xì)饬髁康奶岣哂欣诎l(fā)生器可靠點火，也從另一個側(cè)面表明點火可靠性獲得了提高。

4 ?結(jié)語

本文簡要介紹了某型火箭氫氧發(fā)動機(jī)的火藥點火器的設(shè)計方案、設(shè)計思路，同時，針對使用過程中暴露出的不足進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，如噴管尺寸動態(tài)調(diào)整、噴管尺寸上下限的驗證等措施，為行業(yè)內(nèi)其他采用低燃速推進(jìn)劑且低溫工作的小型固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計與優(yōu)化提供了借鑒。

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