固體火箭發(fā)動機聚能射流低易損試驗研究

曹軍 郭顏紅

摘要：????? 為了解HTPE和HTPB固體火箭發(fā)動機在聚能射流條件的低易損性， 設(shè)計了某型產(chǎn)品的縮比發(fā)動機， 對不同殼體材料、 推進劑類型以及全尺寸的發(fā)動機開展了聚能射流低易損性試驗研究。 試驗結(jié)果表明， HTPE發(fā)動機的響應(yīng)等級優(yōu)于采用HTPB推進劑的發(fā)動機， 縮比發(fā)動機的對比試驗結(jié)果能預(yù)示全尺寸發(fā)動機的低易損性改善趨勢， 但與全尺寸發(fā)動機的實際響應(yīng)等級差異較大。

關(guān)鍵詞：???? 固體火箭發(fā)動機; 聚能射流; 低易損性; HTPE; HTPB

中圖分類號：??? TJ763;? V435+.6? 文獻標識碼：??? A文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0072-06[SQ0]

0引言

固體火箭發(fā)動機因其結(jié)構(gòu)簡單、 工作可靠性高、 維護方便、 作戰(zhàn)反應(yīng)速度快等優(yōu)點， 廣泛應(yīng)用于各類戰(zhàn)術(shù)導彈[1-3]。 隨著現(xiàn)代武器戰(zhàn)術(shù)性能的提高以及航母戰(zhàn)斗力的提升， 未來高科技戰(zhàn)爭對導彈在生產(chǎn)、 運輸、 存儲及戰(zhàn)場環(huán)境下的高生存能力、 高安全性和對周圍人員、 物資的低威脅程度提出了越來越多的要求[4]， 同時， 隨著高性能機載導彈的需求牽引、 對鈍感彈藥的重視以及環(huán)保意識的增強， 高能量、 低易損性、 低信號特征、 低成本和高可靠性已經(jīng)成為固體火箭發(fā)動機發(fā)展的重點和未來發(fā)展方向[5]。 低易損性已成為近年來海軍彈藥的概念性指標， 彈藥的低易損性要求固體火箭發(fā)動機受到意外刺激（熱、 機械、 沖擊波等刺激）時， 發(fā)動機的危險性響應(yīng)和隨之出現(xiàn)的二次損害要小， 即只燃燒， 不爆炸、 不爆轟。

最新的MIL-STD-2105D， NATO STANAG 4439等文件， 識別了六類典型威脅， 并要求彈藥需經(jīng)過與六類威脅相對應(yīng)鈍感試驗考核[6-7]。 研究表明， 鋼殼體發(fā)動機受破片或射流撞擊時， 有爆炸和壓力上升引起殼體爆破的傾向。 但不同發(fā)動機殼體材料特性對發(fā)動機響應(yīng)等級有較大的影響[8-10]。

國內(nèi)外發(fā)動機低易損研究現(xiàn)狀表明， 推進劑中的爆炸組分對發(fā)動機在意外刺激條件下的響應(yīng)程度起著至關(guān)重要的作用[11]， 推進劑的配方組成、 能量特性都對發(fā)動機響應(yīng)程度有較大影響。 美國ATK公司研制的改進型“海麻雀”（ESSM）發(fā)動機采用HTPE推進劑， 并開展了大量的快烤、 慢烤、 子彈撞擊和破片撞擊低易損試驗， 發(fā)動機低易損性得到改善[12]， 對比于HTPB推進劑， HTPE推進劑通過改善自身的熱分解特征來消除發(fā)動機發(fā)生爆燃或爆轟的危險[13]; 帶溝槽殼體、 鋼帶纏繞粘接殼體等設(shè)計措施對改善發(fā)動機的低易損性有很大的貢獻[14]。

通過小尺寸試驗一方面可以指導IM配方和裝藥設(shè)計方面的研究， 另一方面也可以對槍擊、 射流等過程的機理進行研究[15]。 而聚能射流以更高侵徹能力和更強打擊動能逐步被認為是導彈最具潛力的毀傷元之一， 本文根據(jù)發(fā)動機的TNT當量， 在借鑒MIL-STD-2105D和NATO STANAG 4526[16]的基礎(chǔ)上， 優(yōu)化低易損試驗方法，? 收集到不同殼體材質(zhì)、 推進劑類型發(fā)動機真實可靠的試驗數(shù)據(jù)， 系統(tǒng)評估出發(fā)動機的響應(yīng)等級， 得出相比于HTPB推進劑， HTPE推進劑對改善發(fā)動機的低易損性具有很大的優(yōu)勢， 并設(shè)計出一型縮比發(fā)動機來評估某型發(fā)動機在射流沖擊下的響應(yīng)等級。

1模擬發(fā)動機聚能射流試驗

1.1聚能射流源

聚能射流沖擊試驗標準主要以NATO STANAG 4526為主， 射流源為50 mm口徑空心裝藥射流源， 射流粒子束速度V的平方與射流粒子束直徑D的乘積V2D>360 mm3/μs2， 射流源的炸高取射流源直徑的2倍。 射流源采用8號瞬發(fā)電雷管引爆， 見證板采用1 m×1 m×3 mm的薄鋼板。

1.2試驗方案

國內(nèi)外研究表明， 發(fā)動機殼體材料和推進劑類型是影響發(fā)動機低易損性能的兩個重要因素。 本文對目前廣泛采用的殼體材料30CrMnSiA、 某高強度不銹鋼及HTPE和HTPB丁羥兩種推進劑進行縮比試驗發(fā)動機、 某試驗發(fā)動機的聚能射流試驗。

試驗方案采用兩種不同材料發(fā)動機殼體與不同類型推進劑組合， 見表1。 通過分析發(fā)動機在聚能射流條件下的試驗現(xiàn)象及響應(yīng)結(jié)果， 驗證材料的力學性能、 推進劑類型對發(fā)動機低易損性的影響， 比較出不同殼體材料、 推進劑類型的發(fā)動機低易損性能以及尺寸大小對低易損性評估的影響。

1.2.1縮比試驗發(fā)動機根據(jù)某發(fā)動機的工作特性設(shè)計出的縮比試驗發(fā)動機外徑160 mm， 全長480 mm， 殼體材料選用常見的30CrMnSiA， 結(jié)合發(fā)動機工作壓強及安全系數(shù)得到的殼體壁厚為2.2 mm。縮比試驗發(fā)動機結(jié)構(gòu)見圖1;

材料具體參數(shù)見表2;? 裝藥尺寸、 喉徑及設(shè)計最大工作壓強見表3。

1.2.2全尺寸發(fā)動機

全尺寸發(fā)動機零部件均借用某試驗發(fā)動機， 發(fā)動機直徑160 mm， 裝藥長度1 500 mm，? 殼體材料為某高強度不銹鋼， 延伸率較30CrMnSiA材料偏低。 發(fā)動機結(jié)構(gòu)見圖2; 材料具體參數(shù)見表4;? 裝藥尺寸、 喉徑及設(shè)計最大工作壓強見表5。

1.3聚能射流低易損試驗布置

圖3為聚能射流撞擊試驗裝置示意圖， 在3個方向布置沖擊波超壓傳感器， 每個方向設(shè)置3個壓力測點; 在發(fā)動機的4側(cè)各放置1塊側(cè)見證板; 在距離發(fā)動機軸線處對稱放置超壓傳感器; 保證測壓傳感器、 沖擊波傳感器的時間原點統(tǒng)一。 通過高速圖像及樣品下方驗證板上凹痕判斷發(fā)動機是否被引爆而發(fā)生反應(yīng)， 分析在射流撞擊下的起爆反應(yīng)程度及響應(yīng)情況。

1.4聚能射流試驗現(xiàn)象及其分析

1.4.1射流源標定

聚能射流標定試驗， 射流源啟動后， 射流迅速穿透發(fā)動機殼體， 掀起大量塵土， 面向射流的見證板有穿孔及射流散射的痕跡， 距離產(chǎn)品2 m和4 m處均測得超壓值， 見表6;? 試驗現(xiàn)場及殘骸情況見圖4。

1.4.2縮比試驗發(fā)動機試驗情況

將2塊見證板布置在模擬彈中心兩側(cè)， 見證板安置于支架上。 兩支沖擊波超壓傳感器（量程為1 MPa）布置在縮比發(fā)動機的圓周上， 沖擊波超壓傳感器之間夾角為45°。? 在縮比發(fā)動機預(yù)留孔處安裝壓力傳感器， 通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測定縮比發(fā)動機響應(yīng)時的內(nèi)部壓力。 聚能射流試驗結(jié)果見表7;? 試驗現(xiàn)場布置及HTPE縮比試驗發(fā)動機聚能射流試驗殘骸見圖5; HTPB縮比試驗發(fā)動機聚能射流試驗殘骸見圖6。

1.4.3某試驗發(fā)動機試驗情況

（1） HTPB發(fā)動機聚能射流試驗

射流源啟動后， 射流迅速穿透發(fā)動機殼體及藥柱， 形成巨大的金屬燃燒火球， 推進劑帶著火球四處散射， 固定臺架嚴重變形， 發(fā)動機殘骸僅有發(fā)動機頭部、 殼體尾端及噴管， 見證板有穿孔及射流散射的痕跡， 無發(fā)動機內(nèi)壓數(shù)據(jù)， 因設(shè)備原因未測超壓數(shù)據(jù)， 見表8;? 試驗現(xiàn)場及殘骸情況見圖7。

從上述試驗現(xiàn)象分析， 側(cè)見證板飛行距離較遠， 且其中2塊見證板上有細小的穿孔， 發(fā)動機殼體以高剪切比的快速變形， 大部分金屬殼體消失， 只收集到6塊高剪切比殘骸， 其中有3塊碎片飛行距離超過15 m， 分別為17.8 m， 18.2 m， 22.7 m， 收集到3塊殘藥。 根據(jù)試驗大綱的響應(yīng)等級與試驗現(xiàn)象對照表綜合分析， HTPB發(fā)動機聚能射流沖擊試驗的響應(yīng)程度判定為部分爆轟。

（2） HTPE發(fā)動機聚能射流試驗

射流源啟動后， 射流迅速穿透發(fā)動機殼體及藥柱， 形成巨大的金屬燃燒火球， 推進劑帶著火球四處散射， 固定臺架基本完好， 見證板有穿孔及射流散射的痕跡， 無發(fā)動機內(nèi)壓數(shù)據(jù)， 無明顯超壓產(chǎn)生， 見表9;? 試驗現(xiàn)場及殘骸情況見圖8。

根據(jù)試驗現(xiàn)象綜合分析， 發(fā)動機聚能射流沖擊試驗反應(yīng)后， 推進劑快速消耗， 可見持續(xù)燃燒， 有噴射現(xiàn)象產(chǎn)生; 收集到的殘藥質(zhì)量合計1.421 kg; 發(fā)動機殼體中部破碎成大小不一的碎片， 破碎部分約占整個殼體的13; 發(fā)動機響應(yīng)后無明顯超壓產(chǎn)生; 側(cè)見證板均無明顯彎曲變形， 均有一定的滑移， 其中3塊上面各有1個穿孔， 殼體碎片最遠飛行36.2 m， 殘藥最遠飛行37.6 m。 HTPE發(fā)動機聚能射流沖擊試驗的響應(yīng)程度判定為爆炸。

1.4.4試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗方案開展了縮比試驗發(fā)動機、 某試驗發(fā)動機低易損試驗4臺次， 試驗現(xiàn)象及響應(yīng)等級見表10。

優(yōu)于HTPB發(fā)動機， 主要原因是同等能量條件下HTPE推進劑的固體含量低、 安全等級高， 并在推進劑配方中進行了D-HMX組分的替換以及添加鈍感調(diào)節(jié)劑。

對比試驗方案1和4的試驗現(xiàn)象及響應(yīng)等級， 縮比試驗發(fā)動機與某試驗發(fā)動機的響應(yīng)等級差異較大。 主要原因是隨著發(fā)動機尺寸的增加， 推進劑發(fā)生點火的臨界環(huán)境溫度增大， 發(fā)動機響應(yīng)時間滯后， 推進劑內(nèi)部積聚的化學能量增加， 能量釋放的表象會更強烈。

對比試驗方案1～4的試驗現(xiàn)象及響應(yīng)等級， 殼體為30CrMnSiA的發(fā)動機響應(yīng)等級優(yōu)于某高強度不銹鋼材料發(fā)動機， 主要原因是30CrMnSiA材料的延伸率遠高于高強度不銹鋼， 在相同工況下殼體較難形成碎小破片， 有利于發(fā)動機響應(yīng)等級的評估。

2結(jié)論

（1） 在聚能射流的外界刺激條件下， 縮比試驗發(fā)動機（30CrMnSiA/HTPE）的響應(yīng)等級為爆燃; 縮比試驗發(fā)動機（30CrMnSiA/HTPB）的響應(yīng)等級為部分爆轟; 某試驗發(fā)動機（某不銹鋼/HTPB）的響應(yīng)等級為部分爆轟; 某試驗發(fā)動機（某不銹鋼/HTPE）的響應(yīng)等級為爆炸。

（2） 在聚能射流的外界刺激下， HTPE發(fā)動機的響應(yīng)等級優(yōu)于采用HTPB推進劑的發(fā)動機。

（3） 在聚能射流的外界刺激下， 縮比試驗發(fā)動機的對比試驗結(jié)果能預(yù)示某試驗發(fā)動機的低易損性改善趨勢， 縮比試驗發(fā)動機與某試驗發(fā)動機的響應(yīng)等級差異較大。 主要是隨著發(fā)動機尺寸的增加， 推進劑發(fā)生點火的臨界環(huán)境溫度增大， 發(fā)動機響應(yīng)時間滯后， 能量釋放的表象會更強烈。

（4） 在聚能射流的外界刺激下， 30CrMnSiA殼體發(fā)動機的響應(yīng)等級優(yōu)于某高強度不銹鋼材料發(fā)動機， 原因是30CrMnSiA材料的延伸率遠高于高強度不銹鋼， 有利于發(fā)動機響應(yīng)等級的評估。

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