戰術固體火箭發動機點火沖擊試驗研究＊

易 磊，寇軍強，李衛鵬，鄧 恒，陳敏芳

（中國兵器工業第203研究所，西安 710065）

0 引言

在固體火箭發動機的研制和生產過程中，需要對推進劑和裝藥設計進行原理性試驗和地面靜止、飛行試驗，以檢測固體火箭發動機和推進劑的性能指標。固體火箭發動機點火系統是造成不符合設計指標要求的主要問題之一。固體火箭發動機點火系統包括點火具結構、點火藥包、點火頭、噴管密封結構等。根據不同的固體火箭發動機，應通過不同條件的試驗方法確定最佳的發動機主裝藥點燃工作參數，才能保證發動機的正常工作。發動機在點火工作瞬間會經受瞬態振動，這些瞬態振動會產生能量很高的沖擊，構成對發動機及導彈的結構損傷。為了找出點火過載產生的原因及其大小的影響因素，文中在發動機總體設計、裝藥結構設計、推進劑設計一定的條件下，分別就不同點火藥量、不同點火頭、不同點火藥粒度進行了點火試驗分析，測試了發動機點火壓強及過載的大小，對沖擊響應頻譜進行分析，從而找出發動機滿足可靠點火時的最小過載狀態，為固體火箭發動機的最佳點火的安全、可靠性提供了最佳參數。

1 發動機點火試驗裝置及試驗方法

點火沖擊是產生過載的直接原因，在點火瞬間點火藥產生大量高溫燃氣沖擊在裝藥表面，使裝藥及發動機殼體產生震動。本試驗通過測試不同點火過程中發動機殼體過載的大小，對過載的影響因素進行分析，基本驗證了不同點火狀態下的沖擊過載情況。

1.1 試驗條件

根據所研制的固體火箭發動機的結構特點，試驗發動機如圖1所示，裝藥結構尺寸設計為與真實裝藥大小相同，采用不易燃燒材料的假藥柱，以盡可能的模擬發動機工作時的真實狀態。分別選擇不同狀態的點火頭、點火藥量以及點火藥粒度，確定了多種不同的試驗條件。

測試系統如圖1所示，發動機后封頭圓弧頂點處為測壓處，振動傳感器固定在發動機后封頭殼體上，其上分布3個傳感器，分別測試發動機3個方向的沖擊加速度過載。

圖1 測試用發動機及測試裝置

1.2 試驗方法

1）在發動機點火具結構、點火頭類型、點火藥粒度一定的條件下，根據試驗要求，只改變點火藥量，分別進行多次重復性試驗，具體見表1。

表1 不同點火藥量的試驗

測量點火壓強大小，測量點火過載響應試驗曲線。將試驗曲線處理出最大壓力值、三向過載大小等結果。

2）在發動機點火具結構、點火藥量一定的條件下，選擇兩種不同的點火頭JA3和DD8進行多次試驗，具體見表2。

表2 不同點火頭的試驗

測量點火噴管打開壓力值大小，測量點火過載響應試驗曲線。對兩種狀態下的結果進行對比分析。

3）在發動機點火具結構、點火頭、點火藥量一定的條件下，選擇兩種不同的點火藥粒度進行多次試驗，具體見表3。

表3 不同點火粒度的試驗

其中，試驗37～42是與試驗19～24作比較，試驗43～48是與試驗25～30作比較。

測量點火噴管打開壓力值大小，測量點火過載響應試驗曲線。對幾種狀態下的結果進行對比分析。

2 發動機點火試驗結果分析

本次試驗共分為8種狀態共計48次試驗，按照試驗編號，分別對每個試驗曲線進行處理分析，得出各狀態的過載均值及發動機內部最大壓強均值，統計結果見表4。

由于試驗數目較多，文中分別取出各種狀態下的典型FFT圖進行分析，具體見圖2～圖9。

表4 各狀態試驗結果

圖3 JA3，4g2＃小黑＋7g高能

圖4 JA3，10g2＃小黑＋10g高能

圖5 DD8，4g2＃小黑＋4g高能

圖6 DD8，4g2＃小黑＋7g高能

圖7 DD8，10g2＃小黑＋10g高能

圖8 DD8，4g1＃小黑＋4g高能

圖9 DD8，4g3＃大黑＋7g高能

2.1 不同點火藥量

總體來看在點火頭相同、點火藥粒度也相同的情況下，隨著黑火藥和高能點火藥量的增加，過載逐漸增大，最大點火壓強也逐漸升高。即使只增加高能點火藥，過載和最大壓強也會隨之增加。

2.2 不同點火頭

在點火藥量相同、點火藥粒度也相同的情況下，對比圖2與圖5、圖3與圖6、圖4與圖7可以看出，JA3和DD8兩種點火頭在點火沖擊方面的差異不明顯。

2.3 不同點火藥粒度

在點火頭和點火藥量相同的情況下，對比圖5與圖8、圖6與圖9可以看出，點火藥粒度越大時，對發動機的沖擊過載也越大，相應的最大點火壓強也較大。

從頻譜分析圖上可以看出，X向過載＞Y向過載＞Z向過載，X向振動最大振幅基本處于250～400 Hz之間。為了將點火頭和點火藥包分開考慮，特分析了具有明顯雙峰特征的工況，從X向頻譜分析結果看，點火沖擊過載主要來自點火藥包，如果點火頭起爆瞬間過載過大，此時點火頭一般在高頻段具有較大振幅；20 Hz附近的大振幅振動主要來自于點火藥包，結合頻譜圖的其它信息，判斷點火藥包引起的振動主要在低頻段。

3 結論

文中通過正確合理的選擇固體火箭發動機點火系統試驗參數進行了固體火箭發動機點火試驗研究，最終的試驗結果可以得出：點火沖擊過載主要來自點火藥包，在點火具結構不變的情況下，隨著點火藥量的增加，點火沖擊過載也隨著增大；在點火藥量不變的情況下，隨著黑火藥粒度的增加，點火沖擊也隨著增加；JA3和DD8兩種鈍感點火頭對點火沖擊過載的影響不大，所以在保證可靠點火的情況下，盡可能采用小點火藥量和小粒度點火藥的點火方案，可以減小點火沖擊過載。

［1］ 王元有.固體火箭發動機設計［M］.北京：國防工業出版社，1994.

［2］ 王翠榮，施廣富，郭軍.固體火箭發動機沖擊信號響應譜分析［J］.固體火箭技術，2003，26（2）：57－60.

［3］ 張訓文，崔進起，王麗萍.固體發動機點火控制技術研究［C］／／中國宇航學會固體火箭推進專業委員會第二十六屆年會論文集.長沙：中國宇航學會，2009：1－4.