某型固體火箭發(fā)動機(jī)點火藥盒的改進(jìn)設(shè)計

盧文忠，張 磊，冀海燕

(海軍潛艇學(xué)院，青島 266042)

固體火箭發(fā)動機(jī)點火藥盒要在貯存期內(nèi)，保持穩(wěn)定的物理及化學(xué)性能，具有較好的安全性和可靠性;工作時，須在極短的時間內(nèi)可靠地點燃發(fā)動機(jī)的主裝藥，使發(fā)動機(jī)開始穩(wěn)定地工作［1］。某型固體火箭發(fā)動機(jī)點火藥盒在經(jīng)過三年多的貯存后，盒體的密封性能下降，盒內(nèi)點火藥劑中的鎂粉與進(jìn)入盒內(nèi)的空氣中的水分子發(fā)生緩慢化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致藥盒表面局部出現(xiàn)鼓起變形，影響了點火藥劑的正常引燃，可能會造成導(dǎo)彈發(fā)射失敗。為了解決這一問題，需要對點火藥盒進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，要求在不改變原點火藥盒尺寸及接口尺寸的前提下，主要性能參數(shù)均能夠覆蓋原點火藥盒相應(yīng)值，具有較高的可靠性、安全性。

1 點火藥盒的現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)參數(shù)

某型固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥為雙基藥，采用材料為鋁合金的點火藥盒，置于頭部，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。點火藥劑由85 g大粒黑火藥和20 g 鎂粉組成，因鎂粉屬于高能添加劑，加入鎂粉可提高燃燒溫度，增加點火能量。點火使用兩發(fā)電爆管，點火溫度為300℃。點火藥盒性能參數(shù)如表1 所示。

圖1 某點火藥盒結(jié)構(gòu)

1.2 存在的問題

由于點火藥劑含有鎂粉，在貯存3 年后，鎂粉與進(jìn)入盒內(nèi)的空氣中的水分子發(fā)生緩慢化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致藥盒表面鼓起變形。這種情況使點火藥盒與發(fā)動機(jī)裝配困難，若強(qiáng)行安裝將使藥盒表面發(fā)生塌陷;經(jīng)點火試驗發(fā)現(xiàn)，點火壓力及點火溫度均較設(shè)計指標(biāo)降低。這種點火藥盒若繼續(xù)使用，將使主發(fā)動機(jī)點火困難，直接造成導(dǎo)彈發(fā)射失敗。

表1 點火藥盒性能參數(shù)

2 改進(jìn)的原則與方案

1)設(shè)計原則。研制新的點火藥盒，必須是要完全達(dá)到或超過原點火藥盒的相應(yīng)技術(shù)性能指標(biāo)，并保持點火藥盒的材料、幾何尺寸與對外接口尺寸不變，因此對該點火藥盒的的改進(jìn)設(shè)計主要工作是點火藥劑選擇、點火藥劑藥量設(shè)計、裝填密度的確定。

2)設(shè)計方案。借鑒國內(nèi)外點火藥盒設(shè)計經(jīng)驗，在該點火藥盒總?cè)莘e、接口不變的前提下，選擇物理、化學(xué)安定性能穩(wěn)定的點火藥劑，合理設(shè)計點火藥量，保證合適的裝填密度;通過點火藥盒點火藥量試驗、發(fā)火試驗、運(yùn)輸顛震試驗、地面試車等試驗，最終完成改進(jìn)設(shè)計。

3 改進(jìn)的方法與措施

用于點火藥盒的點火藥劑主要有黑火藥、煙火劑、自燃點火劑等，黑火藥主要用于點燃雙基型固體推進(jìn)劑裝藥［2］，煙火劑多用于點燃難以點火的復(fù)合推進(jìn)劑，自燃點火劑則是高化學(xué)活性的液態(tài)化合物，主要用于自燃點火的使用環(huán)境。

目前國外點火藥盒的點火藥劑設(shè)計中均不再含有鎂粉，大多是選用貯存期內(nèi)物理、化學(xué)安定性能穩(wěn)定的黑火藥。這種點火藥盒性能穩(wěn)定，技術(shù)支持容易，實現(xiàn)方便，可供借鑒。

3.1 選擇點火藥劑

點火藥劑選擇應(yīng)用廣泛、性能穩(wěn)定的黑火藥，因其具有如下優(yōu)點［3］:熱敏度高，點火溫度為300℃，易被點燃;燃燒產(chǎn)物中有大量的固體微粒(60%)，也有適量的氣體含量(40%)，點火條件好;機(jī)械感度低，生產(chǎn)、運(yùn)輸、存放和使用有較好的安全性，長期貯存化學(xué)安定性好;技術(shù)成熟，國內(nèi)外均有成功應(yīng)用經(jīng)驗。

3.2 計算點火藥量

點火藥量的設(shè)計較為復(fù)雜，其與多種因素有關(guān)，如點火藥的種類、裝藥的點火性能、裝藥結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)等都對點火藥量的大小有影響。目前，多運(yùn)用氣體狀態(tài)方程、流量公式、經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式等初步估算點火藥量，然后結(jié)合發(fā)動機(jī)模擬點火試驗和真實發(fā)動機(jī)點火試驗，最終調(diào)整確定實際點火藥量［4］。為使計算更加準(zhǔn)確，采用兩種方法估算。

先作如下假設(shè):點火藥全部瞬時點燃;點火藥燃燒產(chǎn)物在主裝藥被完全點燃之前，未經(jīng)噴管流出;燃?xì)鉃槔硐霘怏w。

1)方法1。用以下經(jīng)驗公式(1)來估算點火藥量［5］:

式(1)中:Wig為點火藥量(kg);Ab0為主裝藥初始燃燒面積;At為噴管臨界截面積;DC為燃燒室內(nèi)徑;Δ 為發(fā)動機(jī)裝填密度，Δ=WP/VC0;WP為主裝藥重量;VC0為燃燒室總?cè)莘e;LP為燃燒室長度。將發(fā)動機(jī)各參數(shù)代入式(1)，得 Wig=0.112 kg。

2)方法2。用以下經(jīng)驗式(2)來估算點火藥量［6］:

式(2)中:Wig為點火藥量(kg);σ 為點火藥燃燒產(chǎn)物中凝相成份的重量百分?jǐn)?shù)，σ=0.6;Vc0為燃燒室初始自由容積;Pig為平均點火壓力;R0為通用氣體常數(shù);ˉM 為點火藥燃燒產(chǎn)物中氣體平均摩爾質(zhì)量;Tig為點火藥燃燒溫度。將發(fā)動機(jī)及點火藥盒各參數(shù)代入式(2)，得Wig=0.104 kg。

3.3 確定混裝方案

由于本固體火箭發(fā)動機(jī)使用雙基推進(jìn)劑，故黑火藥的點火藥量應(yīng)是在保證一定裝填密度前提下，留有一定余量。另外，為使點火藥盒內(nèi)盡量多裝黑火藥，從而有較高的點火能力，還要合理選擇點火藥粒度［7］。一般來說粒度小燃速快，粒度大燃速慢。而粒度太小時會造成燃速過快，使主裝藥受熱時間短，不利于點火，而粒度太大，又會造成點火延遲［8］。對于本點火藥盒，采用較大粒度φ7.2 mm 的1 類和較小粒度φ2.1 mm 的4 類混裝的方案。

3.4 試驗驗證

3.4.1 點火藥量摸底試驗

利用裝有模擬假藥柱的固體火箭發(fā)動機(jī)來進(jìn)行點火藥盒點火藥量摸底試驗。通過測試點火壓力［9］、點火溫度等數(shù)據(jù)，處理分析出一定時間內(nèi)的壓強(qiáng)沖量，將不同狀態(tài)藥盒的壓強(qiáng)特征值、溫度特征值、壓強(qiáng)沖量、持續(xù)時間等特性參數(shù)與改進(jìn)裝前點火藥盒的相應(yīng)值進(jìn)行對比分析，優(yōu)化確定了點火藥盒技術(shù)狀態(tài)，初步確定點火藥量。表2 為點火藥盒不同方案試驗性能參數(shù)。

經(jīng)過對各狀態(tài)點火藥盒試驗測試結(jié)果的對比分析，從壓強(qiáng)、溫度、壓強(qiáng)沖量、壓強(qiáng)在0.9 MPa 以上的持續(xù)時間等特征參數(shù)值，綜合確定黑火藥混裝藥方案為狀態(tài)一:黑火藥1 類92 g+黑火藥4 類20 g，能較好地滿足設(shè)計要求。

3.4.2 點火藥盒運(yùn)輸顛震試驗

試驗中取3 發(fā)試生產(chǎn)的點火藥盒，裝入發(fā)動機(jī)頂蓋內(nèi)，進(jìn)行了含三級公路不小于500 km 的運(yùn)輸，試驗后取3 發(fā)未經(jīng)過運(yùn)輸顛震的與3 發(fā)經(jīng)過運(yùn)輸顛震的點火藥盒分別裝入有假藥柱的固體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行發(fā)火試驗，測試數(shù)據(jù)表明點火藥盒點火性能的變化極小。

3.4.3 點火藥盒的地面試車試驗

取2 發(fā)試生產(chǎn)的、經(jīng)過運(yùn)輸顛震試驗的點火藥盒，使用真實裝藥的固體火箭發(fā)動機(jī)對點火藥量摸底試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，表3 為地面試車試驗數(shù)據(jù)。

通過點火藥盒地面試車試驗，驗證了摸底試驗的結(jié)果正確，表明新設(shè)計的點火藥盒點火藥劑量為112 g，其中黑火藥1 類92 g+黑火藥4 類20 g，正確可行。

表3 地面試車試驗數(shù)據(jù)

3.5 點火藥量確定

通過對點火藥量進(jìn)行計算，并對初步確定點火藥量的點火藥盒經(jīng)過3 個階段的試驗，確定點火藥量:由于現(xiàn)點火藥盒設(shè)計中去處掉了鎂粉，全部采用黑火藥，點火藥量應(yīng)略多于原點火藥盒的105 g，以彌補(bǔ)因去除鎂粉帶來的點火能量損失。為使點火藥盒內(nèi)盡量多裝黑火藥并在點火后能較快建立點火壓力，采取1 類+4 類的混裝方案。確定實際點火藥量為Wig=115 g，其中1 類粒度95 g，4 類粒度20 g。

4 結(jié)束語

新的點火藥盒自身尺寸以及與發(fā)動機(jī)頂蓋接口尺寸保持不變，從而不影響發(fā)動機(jī)其他部分，未改變點火藥盒維護(hù)使用方法。選擇黑火藥作為點火藥藥劑，運(yùn)用兩種經(jīng)驗公式對點火藥量估算，并經(jīng)過試驗驗證，確定實際點火藥量為Wig=115 g，并采取1 類+4 類的混裝方案，其中1 類粒度95 g，4 類粒度20 g。經(jīng)過模擬假藥柱點火試驗以及真藥柱的地面試驗考核，新的點火藥盒的點火壓強(qiáng)、壓強(qiáng)沖量、壓強(qiáng)持續(xù)時間等參數(shù)均能達(dá)到或超過原點火藥盒的相應(yīng)技術(shù)性能指標(biāo)，點火能力有所提高。新的點火藥盒經(jīng)過與原點火藥盒相同條件下的3 年的貯存，沒有出現(xiàn)產(chǎn)生氣體導(dǎo)致藥盒變鼓的現(xiàn)象，具有較高的可靠性、安全性。

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