某型固體火箭發動機點火藥盒的改進設計

盧文忠，張 磊，冀海燕

(海軍潛艇學院，青島 266042)

固體火箭發動機點火藥盒要在貯存期內，保持穩定的物理及化學性能，具有較好的安全性和可靠性;工作時，須在極短的時間內可靠地點燃發動機的主裝藥，使發動機開始穩定地工作［1］。某型固體火箭發動機點火藥盒在經過三年多的貯存后，盒體的密封性能下降，盒內點火藥劑中的鎂粉與進入盒內的空氣中的水分子發生緩慢化學反應，產生氫氣，導致藥盒表面局部出現鼓起變形，影響了點火藥劑的正常引燃，可能會造成導彈發射失敗。為了解決這一問題，需要對點火藥盒進行改進設計，要求在不改變原點火藥盒尺寸及接口尺寸的前提下，主要性能參數均能夠覆蓋原點火藥盒相應值，具有較高的可靠性、安全性。

1 點火藥盒的現狀

1.1 技術參數

某型固體火箭發動機裝藥為雙基藥，采用材料為鋁合金的點火藥盒，置于頭部，結構如圖1 所示。點火藥劑由85 g大粒黑火藥和20 g 鎂粉組成，因鎂粉屬于高能添加劑，加入鎂粉可提高燃燒溫度，增加點火能量。點火使用兩發電爆管，點火溫度為300℃。點火藥盒性能參數如表1 所示。

圖1 某點火藥盒結構

1.2 存在的問題

由于點火藥劑含有鎂粉，在貯存3 年后，鎂粉與進入盒內的空氣中的水分子發生緩慢化學反應，產生氫氣，導致藥盒表面鼓起變形。這種情況使點火藥盒與發動機裝配困難，若強行安裝將使藥盒表面發生塌陷;經點火試驗發現，點火壓力及點火溫度均較設計指標降低。這種點火藥盒若繼續使用，將使主發動機點火困難，直接造成導彈發射失敗。

表1 點火藥盒性能參數

2 改進的原則與方案

1)設計原則。研制新的點火藥盒，必須是要完全達到或超過原點火藥盒的相應技術性能指標，并保持點火藥盒的材料、幾何尺寸與對外接口尺寸不變，因此對該點火藥盒的的改進設計主要工作是點火藥劑選擇、點火藥劑藥量設計、裝填密度的確定。

2)設計方案。借鑒國內外點火藥盒設計經驗，在該點火藥盒總容積、接口不變的前提下，選擇物理、化學安定性能穩定的點火藥劑，合理設計點火藥量，保證合適的裝填密度;通過點火藥盒點火藥量試驗、發火試驗、運輸顛震試驗、地面試車等試驗，最終完成改進設計。

3 改進的方法與措施

用于點火藥盒的點火藥劑主要有黑火藥、煙火劑、自燃點火劑等，黑火藥主要用于點燃雙基型固體推進劑裝藥［2］，煙火劑多用于點燃難以點火的復合推進劑，自燃點火劑則是高化學活性的液態化合物，主要用于自燃點火的使用環境。

目前國外點火藥盒的點火藥劑設計中均不再含有鎂粉，大多是選用貯存期內物理、化學安定性能穩定的黑火藥。這種點火藥盒性能穩定，技術支持容易，實現方便，可供借鑒。

3.1 選擇點火藥劑

點火藥劑選擇應用廣泛、性能穩定的黑火藥，因其具有如下優點［3］:熱敏度高，點火溫度為300℃，易被點燃;燃燒產物中有大量的固體微粒(60%)，也有適量的氣體含量(40%)，點火條件好;機械感度低，生產、運輸、存放和使用有較好的安全性，長期貯存化學安定性好;技術成熟，國內外均有成功應用經驗。

3.2 計算點火藥量

點火藥量的設計較為復雜，其與多種因素有關，如點火藥的種類、裝藥的點火性能、裝藥結構和發動機結構參數等都對點火藥量的大小有影響。目前，多運用氣體狀態方程、流量公式、經驗和半經驗公式等初步估算點火藥量，然后結合發動機模擬點火試驗和真實發動機點火試驗，最終調整確定實際點火藥量［4］。為使計算更加準確，采用兩種方法估算。

先作如下假設:點火藥全部瞬時點燃;點火藥燃燒產物在主裝藥被完全點燃之前，未經噴管流出;燃氣為理想氣體。

1)方法1。用以下經驗公式(1)來估算點火藥量［5］:

式(1)中:Wig為點火藥量(kg);Ab0為主裝藥初始燃燒面積;At為噴管臨界截面積;DC為燃燒室內徑;Δ 為發動機裝填密度，Δ=WP/VC0;WP為主裝藥重量;VC0為燃燒室總容積;LP為燃燒室長度。將發動機各參數代入式(1)，得 Wig=0.112 kg。

2)方法2。用以下經驗式(2)來估算點火藥量［6］:

式(2)中:Wig為點火藥量(kg);σ 為點火藥燃燒產物中凝相成份的重量百分數，σ=0.6;Vc0為燃燒室初始自由容積;Pig為平均點火壓力;R0為通用氣體常數;ˉM 為點火藥燃燒產物中氣體平均摩爾質量;Tig為點火藥燃燒溫度。將發動機及點火藥盒各參數代入式(2)，得Wig=0.104 kg。

3.3 確定混裝方案

由于本固體火箭發動機使用雙基推進劑，故黑火藥的點火藥量應是在保證一定裝填密度前提下，留有一定余量。另外，為使點火藥盒內盡量多裝黑火藥，從而有較高的點火能力，還要合理選擇點火藥粒度［7］。一般來說粒度小燃速快，粒度大燃速慢。而粒度太小時會造成燃速過快，使主裝藥受熱時間短，不利于點火，而粒度太大，又會造成點火延遲［8］。對于本點火藥盒，采用較大粒度φ7.2 mm 的1 類和較小粒度φ2.1 mm 的4 類混裝的方案。

3.4 試驗驗證

3.4.1 點火藥量摸底試驗

利用裝有模擬假藥柱的固體火箭發動機來進行點火藥盒點火藥量摸底試驗。通過測試點火壓力［9］、點火溫度等數據，處理分析出一定時間內的壓強沖量，將不同狀態藥盒的壓強特征值、溫度特征值、壓強沖量、持續時間等特性參數與改進裝前點火藥盒的相應值進行對比分析，優化確定了點火藥盒技術狀態，初步確定點火藥量。表2 為點火藥盒不同方案試驗性能參數。

經過對各狀態點火藥盒試驗測試結果的對比分析，從壓強、溫度、壓強沖量、壓強在0.9 MPa 以上的持續時間等特征參數值，綜合確定黑火藥混裝藥方案為狀態一:黑火藥1 類92 g+黑火藥4 類20 g，能較好地滿足設計要求。

3.4.2 點火藥盒運輸顛震試驗

試驗中取3 發試生產的點火藥盒，裝入發動機頂蓋內，進行了含三級公路不小于500 km 的運輸，試驗后取3 發未經過運輸顛震的與3 發經過運輸顛震的點火藥盒分別裝入有假藥柱的固體火箭發動機進行發火試驗，測試數據表明點火藥盒點火性能的變化極小。

3.4.3 點火藥盒的地面試車試驗

取2 發試生產的、經過運輸顛震試驗的點火藥盒，使用真實裝藥的固體火箭發動機對點火藥量摸底試驗結果進行驗證，表3 為地面試車試驗數據。

通過點火藥盒地面試車試驗，驗證了摸底試驗的結果正確，表明新設計的點火藥盒點火藥劑量為112 g，其中黑火藥1 類92 g+黑火藥4 類20 g，正確可行。

表3 地面試車試驗數據

3.5 點火藥量確定

通過對點火藥量進行計算，并對初步確定點火藥量的點火藥盒經過3 個階段的試驗，確定點火藥量:由于現點火藥盒設計中去處掉了鎂粉，全部采用黑火藥，點火藥量應略多于原點火藥盒的105 g，以彌補因去除鎂粉帶來的點火能量損失。為使點火藥盒內盡量多裝黑火藥并在點火后能較快建立點火壓力，采取1 類+4 類的混裝方案。確定實際點火藥量為Wig=115 g，其中1 類粒度95 g，4 類粒度20 g。

4 結束語

新的點火藥盒自身尺寸以及與發動機頂蓋接口尺寸保持不變，從而不影響發動機其他部分，未改變點火藥盒維護使用方法。選擇黑火藥作為點火藥藥劑，運用兩種經驗公式對點火藥量估算，并經過試驗驗證，確定實際點火藥量為Wig=115 g，并采取1 類+4 類的混裝方案，其中1 類粒度95 g，4 類粒度20 g。經過模擬假藥柱點火試驗以及真藥柱的地面試驗考核，新的點火藥盒的點火壓強、壓強沖量、壓強持續時間等參數均能達到或超過原點火藥盒的相應技術性能指標，點火能力有所提高。新的點火藥盒經過與原點火藥盒相同條件下的3 年的貯存，沒有出現產生氣體導致藥盒變鼓的現象，具有較高的可靠性、安全性。

［1］查理.固體火箭發動機技術［J］.國防科技，2004（7）:25-28.

［2］屠曉昌.藥盒式可燃點火器的設計和應用［J］.推進技術，1997（12）:72-74.

［3］王元有.固體火箭發動機設計［M］.北京:國防工業出版社，1984.

［4］屠曉昌，王建生.固體火箭發動機點火藥量的計算［J］.固體火箭技術，2000（12）:4-7.

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［6］李咸海，王俊杰.潛地導彈發射動力系統［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2000.

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［8］蔡瑞嬌.火工品設計原理［M］.北京:北京理工大學出版社，1999.

［9］李國新，程國元，焦清介.火工品實驗與測試技術［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

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