某燃氣發生器初始壓強峰異常分析及改進

摘 要：某燃氣發生器高溫性能考核試驗時，在點火過程中出現了初始壓強峰值過高的異常現象。為了確定故障的原因，依據內彈道性能計算歸納出可能影響初始壓強峰異常的五個因素。從定性和定量兩方面對五個因素進行分析，確定造成故障的因素是藥柱初始燃面設計值偏高及點火器工作時的“烘烤”效應、點火沖擊所產生的影響，并提出了相應的改進措施。試驗結果表明，改進后燃氣發生器工作正常，措施有效。

關鍵詞：燃氣發生器；初始壓強峰值；點火沖擊；初始燃燒面積

中圖分類號：V435 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2013）04-0041-04

AnalysisandImprovementofAbnormalInitial PressurePeakofaGasGenerator

TUJun，HUANGShaobo

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Initialpressurepeakofagasgeneratorisabnormalduringignitingwhiledoingperformance testathightemperature.Fivepossiblefactorsaffectinginitialpressurepeakaresummarizedinaccordance withinteriorballisticperformancecomputation.Thefactorsmakingforfaultarehigherdesignvaluesofinitialburningareaandinfluencescausedbybakingeffectandignitionshockduringigniting，whichderives throughqualitativeandquantitativeanalysis，andcorrespondingimprovingmeasurementsareadopted.The testresultsshowthattheimprovedgasgeneratorsworkwellandthemeasurementsarevalid.

Keywords：gasgenerator；initialpressurepeak；ignitionimpact；initialburningarea

0 引 言

燃氣發生器作為動力能源廣泛應用于航空與航天領域的姿態控制及伺服機構中。某燃氣發生器作為驅動導彈舵機工作的動力能源裝置，除應具有固體火箭發動機的基本性能外，還要求有平穩的工作壓強和長時間工作等特殊性能。

燃氣發生器點火過程是影響燃氣發生器工作性能的重要因素。點火過程相對于裝藥燃燒工作過程來說是一個短暫的瞬態過程，并且是一非定常過程。本文主要針對影響某燃氣發生器在點火過程中出現的初始壓強峰異常因素進行分析，并提出改進措施。

1 燃氣發生器組成及工作原理

1.1 結構組成

某燃氣發生器由噴管、過濾器、燃燒室、點火器、可燒蝕堵蓋、擋藥板、裝藥、殼體等組成，如圖1所示。

圖中，點火器位于燃氣發生器前部，通過螺紋連接在過濾器基體上。過濾器通過螺紋連接在燃氣發生器殼體上部，裝藥為端燃雙基藥柱，采用自由裝填的方式裝填在殼體內部。

1.2 工作原理

燃氣發生器接受點火指令后，點火器發火，點燃裝藥藥柱，藥柱燃燒產生穩定壓強和一定流量的燃氣，燃氣經過濾器過濾后通過4個噴管排出，為舵機提供動力能源。

2 故障分析

2.1 故障現象

在燃氣發生器高溫性能考核試驗中，多發產品在點火過程中發生異常：即在點火試驗時，初始壓強峰值Pmax達到23MPa，超出設計值（初始壓強峰值設計指標P′max≤18.5MPa），試驗發生異常。

觀察燃氣發生器殘骸發現：擋藥板和過濾器上有大量金屬及其氧化物顆粒沉積，見圖2。試驗曲線見圖3。

式中：Pc為燃燒室的壓強；rb為推進劑燃速；C為特征速度；Ab為藥柱燃燒面積；At為噴管喉部面積；a為燃速系數；n為燃速壓強指數。

可以看出，藥柱特征速度增大、燃速變大、初始燃面增加以及噴管喉部面積突然減小均可能會導致燃氣發生器初始壓強峰過高。

通過上述原因分析，歸納出造成初始壓強峰異常原因可能有五個方面：雙基推進劑性能的影響（可能造成燃速、特征速度變化）、裝藥質量的影響（可能造成裝藥燃面變化）、燃氣發生器噴管堵塞的影響（造成噴管喉部直徑變化）、藥柱初始燃面的影響和點火器的影響（可能影響裝藥燃燒）。2.2.1 雙基推進劑性能的影響

對該批產品裝藥的藥柱隨機選取2發進行性能測試，測試數據見表1。

在裝藥生產過程中，由于裝藥工藝的原因，可能造成藥柱中有氣孔、裂紋等缺陷；藥柱和包覆層之間也可能存在脫粘和弱粘。如果存在上述問題，在點火過程中，裝藥缺陷在點火壓強峰的作用下可能會繼續增長、擴展，產生額外的燃燒面積，從而導致壓強偏高的現象。

經過對藥柱X光無損檢測結果進行復查，沒有發現裝藥氣孔、脫粘等現象，藥柱無明顯缺陷存在，故可以排除裝藥質量造成初始壓強峰值偏高。

2.2.3 燃氣發生器噴管堵塞的影響

該型燃氣發生器的噴管喉徑很小，僅為Ф0.5 mm，易被異物堵塞，工作過程中可能造成初始壓強峰過高。

這種堵塞發生的可能原因是由于通過過濾器后燃氣中的顆粒過大或裝配過程噴管處的異物沒有及時清理（如微小雜質、金屬毛刺等）。

由圖2的試驗殘骸可以發現，該發產品的點火器工作后存在金屬及其氧化物殘渣沉積過多的現象，這是點火藥中金屬成分燃燒造成的。這些凝聚相顆粒在點火沖擊作用下，沉積在藥柱表面，形成多個大小不同的“熾熱”點，造成局部“烘烤”效應，在這些“熾熱”點附近藥柱燃速增加；同時，這些顆粒也可能“沖”入裝藥內部，造成燃面增大。燃速、燃面的增加必然會導致初始壓強峰值偏高。

另外，由于燃氣發生器結構限制，點火器能量輸出口與裝藥初始燃面距離較近，過高的點火器輸出能量，可能會對裝藥表面產生點火沖擊，造成裝藥表面損傷，使初始燃面增大，同樣會導致初始壓強峰值偏高問題。

2.3 故障定位

通過上述綜合分析，燃氣發生器初始壓強峰過高是由初始燃面設計值偏高和點火器工作時的“烘烤”效應、點火沖擊對藥柱燃速、初始燃面的影響這些因素疊加后產生的。

2.4 采取措施

2.4.1 點火器的改進

為降低點火器的“烘烤”效應、點火沖擊對初始壓強峰的影響，從點火器的藥劑藥量和組份兩個方面對點火器進行優化改進：

a.通過燃燒氧平衡的計算，大幅度減少藥劑中金屬含量，解決因氧系數不足導致大量的金屬不能完全燃燒而產生的大量金屬及氧化物殘渣問題。

b.點火藥燃氣秒流量大小決定了點火沖擊強度的強弱。在保證裝藥正常點火，滿足對點火延遲時間要求的前提下，盡量減少點火藥量，降低點火藥燃氣秒流量，從而降低點火壓強峰值。

對改進后的點火器進行點火試驗考核，試驗曲線如圖5所示。

改進后的點火器試驗殘骸如圖6。擋藥板與過濾器表面均無明顯的金屬及其氧化物顆粒沉積。

點火器試驗表明，改進后的點火器點火峰值明顯降低，P2改進為3.1～4.9MPa，金屬及其氧化物殘渣含量明顯減少。

2.5 驗證與結果

采取上述兩項改進措施后，進行了10發燃氣發生器高溫、低溫驗證試驗，考核點火器和裝藥匹配性以及點火性能是否滿足改進要求。

改進后的典型試驗壓強-時間曲線如圖8，燃氣發生器初始峰值數據示于表2。

試驗驗證表明，對點火器和裝藥初始燃面改進后，消除了過高的初始壓強峰值。這些改進對燃氣發生器總體指標無不良影響，燃氣發生器工作平穩，達到了設計改進的目的。

3 結 論

a.造成燃氣發生器初始壓強峰異常的主要原因是裝藥初始燃面設計值偏高及點火器的“烘烤”效應、點火沖擊對裝藥藥柱的影響。

b.同時采用降低初始燃面和優化點火器設計的方法，達到了設計指標要求。

c.多發試驗驗證表明改進措施有效。

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