嵌長金屬絲藥柱燃速測試方法研究

陽 潔，張 魯，張偉青

（上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

燃速是推進(jìn)劑性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)和影響導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能的核心參數(shù)。嵌金屬絲藥柱的裝藥形式可大幅提高端面燃燒藥柱燃速，既可有效滿足導(dǎo)彈總體的長時(shí)間、大推力性能要求，又能彌補(bǔ)推進(jìn)劑燃速調(diào)節(jié)范圍有限的缺憾，因而在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。為較準(zhǔn)確地預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)性能，采用嵌金屬絲藥柱的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)對藥柱燃速的準(zhǔn)確性要求較高，而嵌入金屬絲后，推進(jìn)劑本體的基礎(chǔ)燃速已無法表征燃速特性。因此，尋求有效的嵌金屬絲藥柱燃速測量方法，成為發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵之一。

本文基于國內(nèi)外嵌金屬絲藥柱燃速測試的方法，本文對一種新的燃速測試方法——標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法進(jìn)行了研究。

1 燃燒機(jī)理

嵌金屬絲端燃藥柱內(nèi)部沿藥柱軸向嵌有金屬絲。金屬絲一般選用導(dǎo)熱性能較好的銀絲［1］。因金屬絲的高導(dǎo)熱特性，高溫燃?xì)鉄崃垦亟饘俳z方向快速傳遞，其周圍的推進(jìn)劑被迅速加熱，形成金屬絲加熱區(qū)，如圖1所示。當(dāng)推進(jìn)劑被加熱到燃燒的臨界溫度時(shí)，立刻被點(diǎn)燃。由于沿金屬絲方向的燃速遠(yuǎn)大于推進(jìn)劑本身的燃速，因此形成了以金屬絲為中心的錐孔，且錐孔形成的燃面遠(yuǎn)大于原端面燃燒面積。

圖1 嵌長金屬絲推進(jìn)劑燃燒模型Fig.1 Propellant burning model with embedded metal wire

2 燃速常用測試方法

目前，嵌金屬絲藥柱燃速測量方法主要有靶線法、發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法和發(fā)動(dòng)機(jī)X射線實(shí)時(shí)影像法。

2.1 靶線法

按尺寸要求制作嵌金屬絲藥條方坯，并用醋酸纖維素－丙酮包覆，如圖2所示。其原理是將包覆的嵌金屬絲藥柱試樣鉆孔穿入靶線，在規(guī)定的試驗(yàn)壓強(qiáng)和溫度下，在氮?dú)庵袦y定燃盡試樣靶線長度所需時(shí)間，計(jì)算出燃速。測試時(shí)用直徑0.5～0.6mm的鉆頭鉆孔，設(shè)置點(diǎn)火絲孔和第一、第二靶孔，其中兩靶孔方向一致；將靶線穿入靶孔。將試藥條固定在燃速儀上，充入氮?dú)庵林付▔簭?qiáng)，然后進(jìn)行保溫。當(dāng)燃速儀內(nèi)壓強(qiáng)與溫度達(dá)到規(guī)定范圍值時(shí)點(diǎn)火。則燃速（用靶線法測得的燃速通常稱為靜態(tài)燃速）

式中：Leff為靶距；t為燃盡靶距所需時(shí)間。

圖2 嵌金屬絲藥條方坯Fig.2 Grain article with embedded metal wire

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法

發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法測試裝置如圖3所示。其工作原理是中止發(fā)動(dòng)機(jī)工作一定時(shí)間后，使燃燒室壓強(qiáng)突然迅速下降，燃燒中止。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)中止燃燒法裝置Fig.3 Device of motor burning－stop method

對嵌長金屬絲藥柱，垂直于燃面方向的燃速為推進(jìn)劑基礎(chǔ)燃速，沿金屬絲方向的燃速遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)燃速，有

式中：α為繞金屬絲燃燒錐的錐頂角；rw／r0為沿金屬絲方向燃速與基礎(chǔ)燃速的比率［2］。

根據(jù)式（2），由中止發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)測量錐頂角可計(jì)算燃速比，并根據(jù)基礎(chǔ)燃速可得推進(jìn)劑沿金屬絲方向的燃速。

2.3 X射線實(shí)時(shí)影像法

采用X射線影像增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測發(fā)動(dòng)機(jī)中嵌長金屬絲藥柱燃燒過程中燒去肉厚與時(shí)間的關(guān)系，以確定推進(jìn)劑的基礎(chǔ)燃速和沿金屬絲方向的燃速。X射線實(shí)時(shí)影像法工作原理如圖4所示。

圖4 X射線實(shí)時(shí)影像法Fig.4 Real time X－ray image method

2.4 三種測試方法比較

上述三種燃速測試方法的評價(jià)見表1。

3 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法

上述嵌金屬絲藥柱燃速測試方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，而全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)燃速測試，雖然在發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位具有可行性，且數(shù)據(jù)精度較高，但缺點(diǎn)是成本過高。為此，本文提出了一種用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行嵌金屬絲藥柱燃速測試的新方法。

3.1 原理

由燃速冪函數(shù)模型

可知，同種推進(jìn)劑澆注的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)與全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)相同［3］。此處：a，n分別為推進(jìn)劑燃速系數(shù)和壓強(qiáng)指數(shù)；p為工作壓強(qiáng)。因此，以標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)嵌金屬絲藥柱工作工況，測得的燃速可用于表征全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)嵌金屬絲藥柱的動(dòng)態(tài)燃速。由標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定工況下的壓強(qiáng)－時(shí)間曲線，確定嵌金屬絲藥柱有效長度燃盡所需時(shí)間，用式（1）可得到該壓強(qiáng)下的燃速。

表1 三種測試方法Tab.1 Three measurement methods

此外，采用一組試驗(yàn)件在規(guī)定的溫度點(diǎn)下，通過改變壓強(qiáng)值可得到壓強(qiáng)指數(shù)，或在要求的壓強(qiáng)下，通過改變溫度值獲取溫度敏感系數(shù)，得到表征推進(jìn)劑燃燒性能的主要參數(shù)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)組成

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由燃燒室殼體、噴管、藥柱、點(diǎn)火裝置等組成，殼體外徑為φ70mm，長度可根據(jù)藥柱燃速進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖5所示。其結(jié)構(gòu)件應(yīng)可重復(fù)使用，如采用厚壁殼體，噴管喉襯采用鎢滲銅等。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of standard motor

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)給出的壓強(qiáng)－時(shí)間試驗(yàn)曲線確定燃速，方法有兩種：第一種適于曲線特征點(diǎn)明顯的數(shù)據(jù)處理，判讀誤差小；第二種無使用限制。

a）方法一：判讀嵌金屬絲藥柱有效長度燃盡所需時(shí)間，由式（1）可計(jì)算該壓強(qiáng)下的燃速。

b）方法二：判讀發(fā)動(dòng)機(jī)平衡段工作壓強(qiáng)推算推進(jìn)劑的

式中：p為平衡段壓強(qiáng)；c＊，ρ分別為推進(jìn)劑特征速度和密度；At為發(fā)動(dòng)機(jī)喉徑；Ab為藥柱燃面。

此外，采用一組試驗(yàn)件在規(guī)定的溫度點(diǎn)下，改變壓強(qiáng)值可得壓強(qiáng)指數(shù)，或在要求的壓強(qiáng)下，通過改變溫度值獲取溫度敏感系數(shù)，獲得表征推進(jìn)劑的燃燒性能的主要參數(shù)。

3.4 應(yīng)用

采用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法測試某型號發(fā)動(dòng)機(jī)嵌銀絲藥柱燃速，并將結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃速和靶線法測試結(jié)果進(jìn)行對比。

3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。藥量約3kg，噴管喉徑按發(fā)動(dòng)機(jī)燃速測試壓強(qiáng)4MPa的要求設(shè)計(jì)。

表2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Main structure paremeters

3.4.2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

發(fā)動(dòng)機(jī)總裝后進(jìn)行保溫，溫度達(dá)到規(guī)定范圍值后點(diǎn)火。

根據(jù)藥柱有效長度與p－t曲線讀取的燃盡時(shí)間，由式（1）可得r＝284.3／3.1＝91.7mm／s。其中：藥柱Leff根據(jù)平衡段燃面推移理論確定，如圖6所示；時(shí)間t為由試車曲線確定的藥柱有效長度的燃燒時(shí)間，如圖7所示。

圖6 藥柱有效長度Fig.6 Effect length of grain

圖7 有效長度燃燒時(shí)間Fig.7 Burning time of effective length

3.4.3 測試結(jié)果對比

除標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法外，還采用靶線法對同鍋推進(jìn)劑進(jìn)行了燃速測試。利用兩種方法的測試結(jié)果，分別對全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行預(yù)示，并與該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。由表可知：標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法測試結(jié)果更接近推進(jìn)劑實(shí)際燃速，能更準(zhǔn)確地預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能。

表3 預(yù)示性能與實(shí)際性能Tab.3 Proposed and real performance

3.5 評價(jià)和建議

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法測試精度較高，燃速測試范圍較寬，且無特殊設(shè)備要求，適合發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位使用。該方法目前存在的主要缺點(diǎn)是藥柱有效長度和有效工作時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)值需人工判讀，較易出錯(cuò)。對此，本文建議通過構(gòu)造特征點(diǎn)，即預(yù)制藥柱臺階，利用其產(chǎn)生的燃面效應(yīng)設(shè)置壓強(qiáng)拐點(diǎn)，以降低誤讀誤判的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高測試的準(zhǔn)確度。

根據(jù)平衡壓強(qiáng)公式

對給定的推進(jìn)劑和At，p會(huì)隨Ab變化而變。

預(yù)制藥柱臺階將使燃面變化，導(dǎo)致壓強(qiáng)產(chǎn)生特征點(diǎn)，據(jù)此可判讀藥柱有效長度和燃盡所需的時(shí)間。預(yù)制特征點(diǎn)的藥柱結(jié)構(gòu)如圖8所示，預(yù)制特征點(diǎn)的p－t曲線如圖9所示。

圖8 預(yù)制特征點(diǎn)的藥柱結(jié)構(gòu)Fig.8 Grain structure with characteristic point prefabricated

圖9 預(yù)制特征點(diǎn)的p－t曲線Fig.9 p－t curve of characteristic point prefabricated

4 結(jié)束語

本文探討了嵌金屬絲藥柱燃速的測試方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的嵌金屬絲燃速測試方法（標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)法）。不同方法及其測試效果的比較結(jié)果，證明了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)測試法的精度優(yōu)于燃速儀測試法，是一種測試精度較高、可操作性較強(qiáng)的方法，適合發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位使用。

［1］ 張 魯.某型號發(fā)動(dòng)機(jī)含銀絲端面燃燒藥柱初始燃面的優(yōu)化［C］／／中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第30屆技術(shù)交流會(huì).廈門：［s.n.］，2005：50－54.

［2］ 方 丁，張為華，楊 濤.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道學(xué)［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，1997.

［3］ 李宜敏，張中飲，張遠(yuǎn)君.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.