自由裝填大長徑比火箭發動機裝藥試驗研究

鄭 偉，陳俊波，裴江峰，馬 亮，王江寧，宋秀鐸，耿超輝

(1.燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065;2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

陸航用小口徑空空彈/空地彈固體火箭發動機因受到武器平臺結構的限制，往往采用加大長徑比的方法提高總沖從而增加固體火箭發動機的射程[1]。自由裝填式的裝藥結構顯著提升了勤務處理的便利性，因此，自由裝填大長徑比火箭發動機在陸航武器平臺上得到了大量的應用，如57mm航空火箭彈、70mm航空火箭彈、90mm航空火箭彈等。這些火箭彈所用裝藥的長徑比大多在10以上，有的長徑比甚至達到了15[2]。

影響裝藥結構完整性的因素有點火沖擊、使用環境變化、內流場變化、裝藥力學性能等。對于尺寸較大的戰略導彈發動機，發動機點火瞬間，藥柱內外表面的壓強變化可能造成藥柱表面產生裂紋，影響裝藥結構完整[3-5]。對于戰術導彈用小口徑大長徑比固體火箭發動機，由于使用條件惡劣，往往在工作過程中會發生結構失效引起燃燒室爆炸[6]，究其原因一般是因為裝藥結構上的設計缺陷導致藥柱力學性能無法適應內流場的急劇變化，從而引起裝藥結構完整性的破壞。

目前，對于裝藥結構完整性的研究均強調裝藥在不同環境條件下的動態或靜態的載荷分布[9]，所采用的數值模擬方法也是基于固體推進劑的黏彈性行為[8-9]。固體火箭發動機的工作過程，不僅涉及裝藥自身結構和應力應變行為的變化，還涉及到內流場急劇變化的動態過程。雖然針對大長徑比固體火箭發動機裝藥結構完整性的模擬計算對推進劑的配方設計及裝藥的結構設計具有一定的指導作用，但是均沒有涉及到裝藥的實際工作過程。因此，有必要開展大長徑比發動機裝藥工作穩定性的影響因素研究。

為提高自由裝填式大長徑比火箭發動機工作的安全性，獲得影響自由裝填式大長徑比火箭發動機裝藥結構完整性的因素，本實驗以一種螺壓改性雙基推進劑裝藥為研究對象，直接采用試驗發動機研究了包括初始通氣參量()、擋藥架厚度(d)、裝藥局部涂覆對裝藥結構完整性的影響，以期為大長徑比發動機裝藥的設計提供參考。

1 實 驗

1.1 樣 品

推進劑選用含HMX的螺壓改性雙基推進劑(HMX質量分數40%)，理論比沖為2450N·s/kg，推進劑靜態燃燒速度為13～15mm/s(20℃，10MPa)。推進劑裝藥外徑為58.5～60.5mm，內徑為17.8mm，長度為708mm。

1.2 實驗方法及條件

依據GJB770B-2005方法705.2 推力臺法測定推進劑裝藥的內彈道性能，獲得裝藥工作的壓強—時間曲線。點火藥為2#小粒黑，質量12g；試驗溫度分別為20、50、60℃。所采用的發動機結構簡圖如圖1所示，裝藥為單孔管狀。

圖1 試驗發動機結構簡圖Fig.1 The structure schematic of test motor

1.3 推進劑抗壓力學性能測試

依據GJB770B-2005方法415.1 壓縮法測定推進劑抗壓力學性能，試驗溫度分別為20、50和60℃。

2 結果與討論

2.1 初始通氣參量的影響

管狀裝藥內外通氣參量的變化速率決定了裝藥內外表面所受燃氣壓力差的大小[10]。因此，設計了兩種不同的初始通氣參量值，采用試驗發動機進行了對比試驗。

圖2 20、50和60℃條件下，不同值時推進劑裝藥工作的壓強—時間曲線Fig.2 The p—t curves of the propellant grains with different at 20,50 and 60℃

通過對比同一初始通氣參量不同溫度時裝藥的壓強—時間曲線與碎藥情況可知，隨著裝藥工作溫度的升高，裝藥的結構完整性被破壞，碎藥現象逐漸嚴重。初始通氣參量過大時，裝藥無法承受內外表面的壓差，造成裝藥解體，產生的殘藥燃燒，導致工作曲線尾部壓力升高。同時，高溫條件下，推進劑力學性能的下降也是裝藥發生碎裂的原因之一。

不同溫度下推進劑抗壓力學性能的測試結果如表1所示。由表1可知，隨著溫度的升高，推進劑的力學性能顯著降低，50℃與20℃的抗壓力學性能相比，強度值下降了75%，60℃與20℃的抗壓力學性能相比，強度值下降了85%。

由上述分析可知，對于自由裝填式的大長徑比裝藥，選取合適的值可以顯著改善裝藥在高溫工作條件下的工作穩定性。

表1 不同溫度下推進劑的抗壓性能

2.2 擋藥架厚度的影響

考慮到擋藥架可能影響到大長徑比發動機裝藥的內流場，設計了厚度d分別為8mm和25mm的擋藥架，其結構簡圖如圖3所示。采用試驗驗證了不同厚度的擋藥架對裝藥工作穩定性的影響。

圖3 擋藥架的結構簡圖Fig.3 The structure schematic of bracket

圖4 不同厚度擋藥架時推進劑裝藥的壓強—時間曲線Fig.4 The curves of the grains with different thickness of bracket

由圖4可知，采用厚度為25mm的擋藥架時，發動機工作后期未出現壓力升高的現象，試驗后現場也未見到碎藥；采用厚度為8mm的擋藥架時，發動機工作結束的后期仍存在輕微的壓力上升，且試驗后現場有少量厚度約為2mm的碎藥。同時，采用厚度為25mm的擋藥架有利于降低點火壓強峰，減少侵蝕燃燒現象的發生。

由此可知，采用厚度為25mm的擋藥架比采用厚度為8mm的擋藥架更有利于裝藥的穩定工作。分析認為可能的原因是采用厚度為8mm的擋藥架時，裝藥末端離噴管出口距離較近，裝藥外側面燃氣在出口處流通不暢，瞬時內外壓強的不平衡造成碎藥的產生。

2.3 裝藥內孔涂覆的影響

理想情況下，裝藥的燃燒為平行層燃燒。如果限制內孔的燃燒，使燃燒從外表面開始，燃燒結束時所形成環狀藥的外徑最小。外徑較小的環狀藥具有更大的承壓能力，有利于減少裝藥燃燒后期碎藥的發生。同時，有經驗表明，內孔涂覆有利于大長徑比裝藥的工作穩定性[12]。所以采用試驗發動機對比研究了內孔涂覆與否對裝藥工作的影響。內孔涂覆的溶液為硝基油漆布與丙酮按質量比1∶5進行配制。溫度為20℃、值為225時，內孔涂覆與內孔不涂覆時的發動機曲線如圖5所示。

圖5 內孔涂覆與內孔不涂覆時不同擋藥架厚度條件下推進劑裝藥的壓強—時間曲線Fig.5 The p—t curves of the propellant grains with and without coated inner hole under different thickness of bracket

由圖5(a)可知，內孔涂覆降低了點火壓力峰，減小了裝藥的初始燃面，延長了裝藥的工作時間。且內孔涂覆與不涂覆的工作條件下，均沒有發現發動機工作時有碎藥產生。

圖5(b)與圖5(a)的試驗結果類似，內孔涂覆降低了點火壓力峰，改變了壓強—時間曲線的形態。由于其采用了厚度為8mm的擋藥架，裝藥內孔無論涂覆與否，兩發裝藥試驗后均產生了少量的碎藥，且碎藥的厚度相當，均為1.2～2mm。試驗結果與上述2.2節中得出的結論相同。

由此可知，內孔是否涂覆對改善裝藥工作時的碎藥情況沒有作用。

3 結 論

(1)減小初始通氣參量能顯著提高裝藥的工作穩定性。對于長徑比為12的推進劑裝藥，50℃時，初始通氣參量從225減小至166，基本消除了碎藥的產生；60℃時，初始通氣參量從225減小至166，顯著減小了碎藥的產生。

(2)采用厚度為25mm的擋藥架比采用厚度為8mm的擋藥架更有利于減少裝藥工作時的碎藥現象。

(3)內孔是否涂覆對改善裝藥工作時的碎藥情況沒有作用。