II脈沖端燃藥柱的環(huán)形點(diǎn)火器方案及試驗(yàn)研究①

程 翔，邢國(guó)強(qiáng)，黃少波，鄭子龍，肖志平，吳 剛，譚 明

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院第四研究所，洛陽(yáng) 471000；2.四川華川工業(yè)有限公司，成都 610100)

0 引言

雙脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有脈沖間隔時(shí)間可控、能量合理分配等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一次點(diǎn)火導(dǎo)致推力可控方面的不足，極大擴(kuò)展了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，是新一代空面導(dǎo)彈動(dòng)力裝置的首選。

為了進(jìn)一步增加總沖和工作時(shí)間，Ⅱ脈沖藥型通常采用端燃復(fù)合藥柱，并采用環(huán)形點(diǎn)火設(shè)計(jì)。由于Ⅱ脈沖工作時(shí)，Ⅰ脈沖已工作完畢，軟質(zhì)隔層在低壓作用下瞬間打開(kāi)，Ⅱ脈沖點(diǎn)火設(shè)計(jì)面臨著初始燃面小、自由容積大、無(wú)堵蓋建壓等不利情況，且點(diǎn)火器嚴(yán)苛的尺寸限制制約了點(diǎn)火藥裝填上限，同時(shí)較多點(diǎn)火能量因未能作用在推進(jìn)劑表面降低了能量利用率。此外，環(huán)形點(diǎn)火的一致性也不如傳統(tǒng)的簍式、管式點(diǎn)火，多種因素疊加導(dǎo)致點(diǎn)火匹配性設(shè)計(jì)難度極大。地面試驗(yàn)時(shí)，Ⅱ脈沖端燃藥柱的點(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng)，且波動(dòng)范圍大，極端情況下甚至熄火，嚴(yán)重影響了導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能。當(dāng)前脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一，但Ⅱ脈沖端燃藥柱點(diǎn)火技術(shù)的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[5]對(duì)II脈沖點(diǎn)火工作特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[6]對(duì)Ⅱ脈沖點(diǎn)火延遲現(xiàn)象展開(kāi)了機(jī)理分析和試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[7-8]對(duì)Ⅱ脈沖點(diǎn)火瞬態(tài)進(jìn)行了數(shù)值仿真和分析。

基于研究現(xiàn)狀，本文提出了一種點(diǎn)火過(guò)程結(jié)構(gòu)保持完整的環(huán)形點(diǎn)火器方案，基于熱流密度理論推導(dǎo)了點(diǎn)火藥量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，經(jīng)點(diǎn)火測(cè)壓試驗(yàn)表明點(diǎn)火能量能夠長(zhǎng)時(shí)間、低壓強(qiáng)的集中、均勻、連續(xù)作用在II脈沖推進(jìn)劑初始燃面上，可以有效提升Ⅱ脈沖端燃藥柱點(diǎn)火匹配性，對(duì)工程化應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

1 點(diǎn)火匹配性理論

針對(duì)不同推進(jìn)劑類型、藥型及初始燃面、工作溫度、堵蓋吹脫壓強(qiáng)和燃燒室自由容積，通過(guò)合理設(shè)計(jì)相應(yīng)點(diǎn)火器的內(nèi)彈道性能，使點(diǎn)火器輸出充足的點(diǎn)火能量，并集中、均勻、持續(xù)地作用在推進(jìn)劑初始燃面，形成多個(gè)或大面積的穩(wěn)定著火點(diǎn)或區(qū)域，推進(jìn)劑按照設(shè)計(jì)燃面快速、穩(wěn)定的燃燒，符合發(fā)動(dòng)機(jī)工作指標(biāo)，即為點(diǎn)火匹配性。點(diǎn)火匹配性決定了點(diǎn)火一致性、點(diǎn)火壓強(qiáng)峰、點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火工作時(shí)間等指標(biāo)和功能。

對(duì)于Ⅱ脈沖點(diǎn)火技術(shù)，點(diǎn)火匹配性設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使推進(jìn)劑沿設(shè)計(jì)燃面穩(wěn)定燃燒、推移，同時(shí)在小燃面、大容積狀態(tài)下可靠點(diǎn)火，尤其是低溫環(huán)境下點(diǎn)火一致性較好。理論分析認(rèn)為，影響端燃藥柱點(diǎn)火匹配性的因素如下：

(1)藥柱燃速。高燃速?gòu)?fù)合推進(jìn)劑的氧化劑AP含量較高，AP含量的增加可以加速燃燒反應(yīng)，進(jìn)而提高燃溫，從而有效降低點(diǎn)火閾值和延遲時(shí)間，在相同的點(diǎn)火能量下，更易于點(diǎn)火。

(2)藥柱初始溫度。在低溫下，同樣的點(diǎn)火能量傳給裝藥表面的熱量損耗增多，較難建立起必要厚度的加熱層，并延緩裝藥表面溫度升高速率，從而點(diǎn)火困難。

(3)藥柱初始燃面。初始燃面越復(fù)雜越易于點(diǎn)燃，因?yàn)樾螤顝?fù)雜易于產(chǎn)生紊流，而紊流的傳熱系數(shù)大于層流，裝藥易于獲得更多的點(diǎn)火能量。較大燃面也有利于壓強(qiáng)的快速爬升。

(4)燃燒室自由容積。燃燒室自由容積過(guò)大，則由于燃?xì)馓畛鋽U(kuò)散，使得推進(jìn)劑表面氣相反應(yīng)物的濃度降低，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較多損失在自由容積中，推進(jìn)劑表面獲得熱量較少，造成點(diǎn)火延遲，甚至熄火。

(5)點(diǎn)火能量輸出。當(dāng)點(diǎn)火燃?xì)饬鲃?dòng)方向遠(yuǎn)離燃面，燃面上的熱流密度小和熱損失大，點(diǎn)火后裝藥不能立刻獲得正常燃燒所需熱量，藥柱表面層的傳熱、分解和化學(xué)反應(yīng)比較遲緩，造成了延遲。

2 方案設(shè)計(jì)

端燃藥柱總體方案如圖1所示。推進(jìn)劑為中高燃速(燃速>15 mm/s)丁羥復(fù)合推進(jìn)劑，Ⅱ脈沖點(diǎn)火器粘接嵌入藥柱環(huán)形槽內(nèi)，且與端面平齊，需承受I脈沖壓力不破壞。

圖1 端燃藥柱方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the end burning grain

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料

點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2(為便于示意，未顯示密封膜)，蓋板與殼體之間通過(guò)均布的螺釘連接，蓋板端面與殼體內(nèi)、外環(huán)面均布噴火孔；在噴火孔、泄壓孔的外表面均粘貼0.2 mm密封膜，點(diǎn)火管、點(diǎn)火藥粘接在殼體內(nèi)。

點(diǎn)火器設(shè)計(jì)考慮如下：

(1)點(diǎn)火器設(shè)計(jì)為螺釘連接，因承壓需求不能采用賽璐珞等低強(qiáng)度材料，故采用高強(qiáng)度鋁合金(熔點(diǎn)660 ℃)，在I脈沖壓力下，結(jié)構(gòu)保持完好，Ⅱ脈沖工作時(shí)，可快速燒蝕熔化；

(2)殼體內(nèi)、外環(huán)面上交錯(cuò)均布噴火孔，可以使較多點(diǎn)火能量在殼體內(nèi)聚能后噴射在初始燃面，形成多個(gè)均勻的著火點(diǎn)，提高點(diǎn)火穩(wěn)定性；

(3)蓋板均布的泄壓孔可防止點(diǎn)火器內(nèi)壓過(guò)大，同時(shí)該處作用力使點(diǎn)火器不脫離粘接面；

(4)密封膜為易燒蝕非金屬薄膜(熔點(diǎn)200 ℃，抗拉強(qiáng)度≮220 MPa)，能防止推進(jìn)劑、軟質(zhì)隔層從噴火孔、泄壓孔擠入點(diǎn)火器內(nèi)。

對(duì)點(diǎn)火器承受一脈沖壓強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，設(shè)置點(diǎn)火器端面、外環(huán)面、內(nèi)環(huán)面經(jīng)受12 MPa壓強(qiáng)(圖2)，底面為固定面，材料彈性模量是72 GPa，泊松比為0.33。

圖2 點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the igniter structure

仿真表明，應(yīng)力集中區(qū)域位于殼體的外環(huán)面、內(nèi)環(huán)面中間，最大應(yīng)力約400 MPa(應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3)，低于材料屈服強(qiáng)度，最大變形量約0.3 mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

(a) Outer ring surface

為進(jìn)一步驗(yàn)證強(qiáng)度，在圖1的模擬藥柱對(duì)點(diǎn)火器殼體進(jìn)行12 MPa的水壓校核，試驗(yàn)后檢查表明，點(diǎn)火器殼體完好，密封膜在噴火孔/泄壓孔處存在較小變形(見(jiàn)圖4)，經(jīng)受外壓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖4 承壓試驗(yàn)后密封膜Fig.4 Diaphragm seal after the pressure-bearing test

2.2 點(diǎn)火匹配性設(shè)計(jì)

針對(duì)小燃面、大容積情況，如點(diǎn)火器的點(diǎn)火能量輸出較快，則點(diǎn)火藥反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體迅速向四周擴(kuò)散并帶走大量的熱量，不利于推進(jìn)劑的穩(wěn)定燃燒；理想狀態(tài)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間、低壓強(qiáng)的-曲線，集中、均勻、持續(xù)噴射在推進(jìn)劑初始燃面，使燃?xì)庠谒幹砻嬗谐渥愕臏魰r(shí)間，以增大熱交換系數(shù)，從而形成穩(wěn)定燃燒；且燃?xì)鈮簭?qiáng)應(yīng)較小，否則引起點(diǎn)火射流蝕剝作用，造成推進(jìn)劑裂紋、包覆粘接界面破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸。

由于圖1點(diǎn)火器嵌入藥柱環(huán)形槽內(nèi)，火焰噴射方向難以集中作用在端面，因此初始燃面設(shè)計(jì)為1 mm環(huán)向縫隙處的內(nèi)、外環(huán)面推進(jìn)劑，點(diǎn)火器工作后快速點(diǎn)燃初始燃面，通過(guò)推進(jìn)劑的燃燒引燃端面(二次燃面)。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，使點(diǎn)火后增面燃燒，用于大容積、低溫發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下維持點(diǎn)火初期的穩(wěn)定燃燒，杜絕發(fā)動(dòng)機(jī)較長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲和熄火；同時(shí)，為了保證藥柱點(diǎn)火后端面均勻推移，設(shè)計(jì)初始燃面應(yīng)同時(shí)轉(zhuǎn)入端面燃燒，即-=。

此外，為確保初始燃面到二次傳火端燃燃面的快速點(diǎn)燃，設(shè)計(jì)上應(yīng)使初始燃面不小于二次燃面的0.2倍。據(jù)此計(jì)算：

2π(+)≥02π(-+)

計(jì)算得出≥02，并根據(jù)點(diǎn)火藥量所需空間進(jìn)一步確定，從而確定初始燃面及點(diǎn)火器尺寸。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如噴火孔數(shù)目少、孔徑大，則多數(shù)點(diǎn)火藥從噴火孔吹出，點(diǎn)火效果較差；當(dāng)數(shù)目多、孔徑小時(shí)，可以使75%以上的點(diǎn)火藥柱在殼體內(nèi)燃燒，有利于產(chǎn)生多個(gè)穩(wěn)定的著火點(diǎn)向燃面周邊擴(kuò)散，優(yōu)化點(diǎn)火性能。

2.3 點(diǎn)火藥量設(shè)計(jì)

點(diǎn)火器內(nèi)部具有兩發(fā)鈍感點(diǎn)火管及硼/硝酸鉀(BPN)點(diǎn)火藥，BPN反應(yīng)熱高，燃溫可達(dá)2400 K以上，在-41 ℃、0.001 Pa的條件下，不密封的BPN可以100%發(fā)火，且工作正常，適用于高空點(diǎn)火及自由容積大的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。

文獻(xiàn)[17]的研究表明，常用的點(diǎn)火藥量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式較多基于頭部點(diǎn)火，且點(diǎn)火藥量的計(jì)算主要與自由容積成正比。例如：

=

(1)

(2)

式中為點(diǎn)火藥量；為初始自由容積；為面喉比；為0.6～0.8；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)ɑ為50～80；為點(diǎn)火藥的爆熱。

本文的端燃藥柱在于I脈沖的大空腔、無(wú)堵蓋狀態(tài)下，依據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算值遠(yuǎn)超點(diǎn)火器裝填上限，工程上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，點(diǎn)火藥劑燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)狻⒐腆w微粒在中高燃速的復(fù)合推進(jìn)劑上作用30～50 ms，即能夠達(dá)到推進(jìn)劑的著火點(diǎn)，即使如低溫、低氣壓等因素影響，50～70 ms內(nèi)也可以可靠點(diǎn)燃。文獻(xiàn)[18]的研究表明，復(fù)合推進(jìn)劑初溫對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響程度與點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的熱流密度相關(guān)，熱流密度越大，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨初溫變化越緩慢；當(dāng)點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的熱流密度達(dá)到153 W/cm以上時(shí)，在高熱流作用下，點(diǎn)火延遲時(shí)間基本不受初溫影響。

基于以上經(jīng)驗(yàn)和機(jī)理，當(dāng)藥柱初始燃面及二次燃面之和為(cm)時(shí)，設(shè)定點(diǎn)火能量作用時(shí)間=0.1 s，則點(diǎn)火藥量為

(3)

由此計(jì)算得出理論點(diǎn)火藥量，因部分點(diǎn)火能量從泄壓孔噴出，為保證可靠度藥量按1.5，根據(jù)該藥量選取不同尺寸規(guī)格的藥柱組合搭配，在增加裝填密度前提下，實(shí)現(xiàn)不小于100 ms的燃燒時(shí)間。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)與分析

對(duì)該方案開(kāi)展了驗(yàn)證試驗(yàn)，并考核了不同工藝措施的效果，以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，提升點(diǎn)火匹配性。

3.1 點(diǎn)火器內(nèi)壓試驗(yàn)

工程實(shí)際中常因配合尺寸超差、環(huán)縫滲膠等因素影響環(huán)縫處的燃?xì)馔〞常瑖?yán)重時(shí)甚至可能堵塞大多數(shù)噴火孔，此時(shí)點(diǎn)火壓力曲線極陡，對(duì)推進(jìn)劑沖擊加壓，不利于安全性；同時(shí)，點(diǎn)火器內(nèi)部壓強(qiáng)過(guò)大可能導(dǎo)致殼體破裂，引起大部分點(diǎn)火藥在未燃盡甚至未點(diǎn)燃情況下散失，點(diǎn)火效果差。

為此，開(kāi)展了點(diǎn)火器內(nèi)壓試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證不同工藝措施下的結(jié)構(gòu)完整性。采用專用的厚壁試驗(yàn)器(無(wú)噴火孔、有泄壓孔)進(jìn)行70 ℃高溫點(diǎn)火試驗(yàn)，其中試驗(yàn)器1測(cè)壓位置在點(diǎn)火管輸出處，2沿點(diǎn)火管輸出方向與1旋轉(zhuǎn)90°，密封膜、點(diǎn)火藥狀態(tài)不變，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 點(diǎn)火器內(nèi)壓試驗(yàn)Table 1 Internal pressure test results of the igniter

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)點(diǎn)火管背靠背安裝時(shí)，因點(diǎn)火管、相鄰點(diǎn)火藥的壓強(qiáng)瞬間相互疊加，該處內(nèi)壓過(guò)大導(dǎo)致點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)破壞；而點(diǎn)火管對(duì)稱安裝時(shí)，點(diǎn)火藥沿點(diǎn)火管輸出方向順序?qū)ΨQ燃燒輸出(見(jiàn)圖5)，因密封膜打開(kāi)內(nèi)壓逐步下降，可避免局部壓強(qiáng)疊加過(guò)大的情況，有利于內(nèi)壓的快速泄放，點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)保持完整；點(diǎn)火器內(nèi)壓峰值小于2 MPa，螺釘連接強(qiáng)度具有裕度。

(a) 10 ms (b) 20 ms (c) 50 ms圖5 火焰?zhèn)鞑ジ咚贁z像Fig.5 High-speed photography of the flame

3.2 初始燃面作用效果試驗(yàn)

為避免點(diǎn)火器作用燃?xì)膺^(guò)高導(dǎo)致推進(jìn)劑產(chǎn)生裂紋、粘接界面破壞等非預(yù)期效果，獨(dú)創(chuàng)了初始燃面作用效果試驗(yàn)方法，對(duì)比了不同工藝措施的效果。

專用測(cè)壓試驗(yàn)器(見(jiàn)圖6，點(diǎn)火器、模擬藥柱粘接固定在測(cè)壓工裝上，點(diǎn)火器底座具有測(cè)壓孔且與工裝測(cè)壓位置對(duì)齊)用于同步測(cè)量點(diǎn)火器內(nèi)壓以及內(nèi)、外環(huán)縫的壓強(qiáng)，通過(guò)調(diào)整內(nèi)外環(huán)面噴火孔、泄壓孔的面積比例，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，可得出較為理想的初始燃面作用效果。

圖6 測(cè)壓試驗(yàn)示意Fig.6 Schematic diagram of pressure test

本試驗(yàn)將外環(huán)噴火孔、內(nèi)環(huán)噴火孔、泄壓孔的面積比固定為1∶1∶2，密封膜、點(diǎn)火藥狀態(tài)不變，點(diǎn)火管對(duì)稱安裝，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 作用壓強(qiáng)試驗(yàn)Table 2 Results of pressure test

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)密封膜采用粘接強(qiáng)度較大環(huán)氧膠粘接時(shí)，點(diǎn)火器內(nèi)部需要提升至較高壓力后方可破膜；而采用粘接強(qiáng)度較小的硅橡膠時(shí)，點(diǎn)火器內(nèi)壓較低時(shí)，即可快速破膜，該狀態(tài)下環(huán)縫壓強(qiáng)低于0.4 MPa，對(duì)初始燃面沖擊較小，且內(nèi)環(huán)、外環(huán)壓持續(xù)時(shí)間均大于150 ms，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，可確保推進(jìn)劑可靠、穩(wěn)定燃燒。

此外，因內(nèi)環(huán)縫比外環(huán)縫的通氣空間小，同樣數(shù)量的噴火孔狀態(tài)下，不利于燃?xì)鈮簭?qiáng)的快速泄放，故內(nèi)環(huán)縫壓強(qiáng)相對(duì)較高。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，確定了點(diǎn)火器工藝參數(shù)，隨端燃藥柱在低溫下的點(diǎn)火一致性也較好，顯著提升了點(diǎn)火匹配性，點(diǎn)火器方案達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種環(huán)形點(diǎn)火器方案，點(diǎn)火器正常內(nèi)壓峰值低于0.7 MPa，且點(diǎn)火能量能夠集中、均勻、連續(xù)地作用在II脈沖推進(jìn)劑初始燃面上，其峰值壓強(qiáng)低于0.4 MPa，持續(xù)時(shí)間超過(guò)150 ms，溫度高于2400 K；

(2)根據(jù)熱流密度理論推導(dǎo)，得出大容腔、小燃面的端燃藥柱點(diǎn)火藥量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，可供工程設(shè)計(jì)參考、借鑒；

(3)設(shè)計(jì)了一套藥柱初始燃面測(cè)壓試驗(yàn)方法，可用于對(duì)比點(diǎn)火器不同工藝措施的實(shí)施效果。