射流點(diǎn)火具的設(shè)計(jì)與研究

劉君閣，甄家強(qiáng)，齊忠良，白麗君

（遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧 撫順，113003）

點(diǎn)火具通常是用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火[1]?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火有兩種方式：一種是前置點(diǎn)火，一種是后置點(diǎn)火。無論哪種點(diǎn)火方式，對(duì)點(diǎn)火具點(diǎn)火能力都有一定的要求：過小將造成點(diǎn)火延遲，甚至熄火；過大會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓力曲線波動(dòng)，影響落點(diǎn)精度[2]。目前，國內(nèi)火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)使用藥盒式點(diǎn)火具進(jìn)行點(diǎn)火。國外有火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)采用射流點(diǎn)火，這種射流點(diǎn)火技術(shù)有利于提高火箭彈落點(diǎn)精度和發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)水平。

筆者通過對(duì)射流點(diǎn)火具的設(shè)計(jì)與研究，提出了射流點(diǎn)火具具有平穩(wěn)較低的點(diǎn)火壓力、穩(wěn)定較高的點(diǎn)火溫度、穩(wěn)定較長的點(diǎn)火射流等技術(shù)特點(diǎn)。研究的射流點(diǎn)火具與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)前置射流點(diǎn)火和后置射流點(diǎn)火的匹配試驗(yàn)表明：射流點(diǎn)火具能可靠點(diǎn)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，射流點(diǎn)火具的工作曲線與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作曲線擬合光滑、平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。本文對(duì)此射流點(diǎn)火具進(jìn)行了性能測(cè)試，并與藥盒式電點(diǎn)火具進(jìn)行了對(duì)比，為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的前置射流點(diǎn)火、后置射流點(diǎn)火，以及提高火箭彈落點(diǎn)精度和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)水平奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)總要求

根據(jù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和射流點(diǎn)火具的功能特點(diǎn)，提出以下設(shè)計(jì)總要求。

1.1 功能

射流點(diǎn)火具適用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的前置射流點(diǎn)火和后置射流點(diǎn)火。

1.2 通用設(shè)計(jì)要求

點(diǎn)火具為電發(fā)火，其電阻、安全電流、發(fā)火電流、絕緣電阻、靜電、震動(dòng)等應(yīng)符合火箭彈總體設(shè)計(jì)要求，并符合GJB 1885 點(diǎn)火具通用規(guī)范要求。

1.3 特征參數(shù)及要求

點(diǎn)火壓強(qiáng)：在密閉容器 50ms時(shí)點(diǎn)火壓強(qiáng)應(yīng)為0.2～0.8MPa（火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同，要求不同）；火焰長度：在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)腔或規(guī)定測(cè)壓容器內(nèi)應(yīng)達(dá)到2 000mm；火焰持續(xù)時(shí)間：不小于100ms（暫定）；可靠性及要求：點(diǎn)火具應(yīng)點(diǎn)火可靠，噴射的燃?xì)饣鹧鎸?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥損傷小。

2 工作原理、特點(diǎn)與總體設(shè)計(jì)

2.1 工作原理及特點(diǎn)

射流點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由發(fā)火部件、點(diǎn)火裝藥和底座等組成，外部結(jié)構(gòu)為螺紋連接。

圖1 射流點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of jet ignitor

工作原理：射流點(diǎn)火具經(jīng)電能作用后發(fā)火部件作用，其產(chǎn)生的火焰將點(diǎn)火裝藥迅速點(diǎn)燃，此時(shí)在點(diǎn)火具內(nèi)部自由容腔內(nèi)產(chǎn)生較大壓強(qiáng)。發(fā)火部件裝藥和點(diǎn)火裝藥燃燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)庠邳c(diǎn)火具內(nèi)部壓強(qiáng)作用下經(jīng)噴喉射出，形成較長的高溫燃?xì)馍淞?。這種高溫燃?xì)馍淞髟诨鸺l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)形成較低的點(diǎn)火壓強(qiáng)，可靠點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

功能特點(diǎn)：射流點(diǎn)火具輸出較長的高溫燃?xì)馍淞?，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)形成較低的點(diǎn)火壓強(qiáng)；射流點(diǎn)火具的工作曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作曲線擬合光滑、平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作曲線穩(wěn)定、波動(dòng)小。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：射流點(diǎn)火具屬于壓力容器。

2.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求及工作原理，射流點(diǎn)火具應(yīng)按壓力容器和火工品設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

為使點(diǎn)火具能夠產(chǎn)生2 000mm長度的射流，總體結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成壓力容器，強(qiáng)度要大。圖1中強(qiáng)度薄弱部位在螺紋連接處，螺紋為 M45×1.5mm，有效螺紋長度11mm，上蓋部件、底座材料為45號(hào)鋼。根據(jù)螺紋強(qiáng)度公式[3]：

式（1）中： [τ]為許用剪切應(yīng)力，kgf / mm2；τ為剪切應(yīng)力，kgf/ mm2；Fw為最大軸向外載荷，kgf；Kz為載荷不均系數(shù)，0.56；π為圓周率；d1為螺紋小徑，43.376mm；b為螺紋牙根部寬度(0.87T)，1.305 mm；Z為螺紋數(shù)，7；T為螺距，1.5mm。

式（2）中：σs為屈服應(yīng)力，36 kgf/mm2；nz為安全系數(shù)，2.5。[τ]=36 / 2.5=14.4 kgf/mm2

由螺紋強(qiáng)度公式（1），有：

即螺紋連接部位最大軸向外載荷為10 033kgf。由此，點(diǎn)火具最大承受壓強(qiáng)為：

式（3）中：S=14.76 cm2，為上蓋螺紋小徑面積。

計(jì)算結(jié)果表明，點(diǎn)火具設(shè)計(jì)最大承受壓強(qiáng)為69.2MPa。為使點(diǎn)火具能夠產(chǎn)生2 000mm的高溫燃?xì)馍淞?，其?nèi)腔應(yīng)有足夠的壓強(qiáng)。參照火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)，點(diǎn)火具內(nèi)腔最高使用壓強(qiáng)設(shè)計(jì)小于10MPa。

2.2.2 發(fā)火部件設(shè)計(jì)

為提高作用可靠性，發(fā)火部件由2個(gè)點(diǎn)火藥頭、賽璐珞藥盒和藥劑等組成。藥劑選用XX點(diǎn)火藥，藥量為1.5g。

2.2.3 靜電安全性

采用成熟技術(shù)，以可靠保證點(diǎn)火具靜電安全。

2.2.4 點(diǎn)火裝藥

對(duì)于點(diǎn)火裝藥，通常選用火焰感度好、綜合點(diǎn)火能力好的黑火藥，也可選用可燃劑和氧化劑配制的高能點(diǎn)火藥，以實(shí)現(xiàn)放熱量大、固體生成物多、有利于點(diǎn)燃發(fā)火點(diǎn)高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥。如：鋯粉-四氧化三鉛，鎂粉-酚醛樹脂-硝酸鋇，鎂粉-聚四氟乙烯等點(diǎn)火藥[2]。根據(jù)射流點(diǎn)火具的功能特點(diǎn)，選用了同發(fā)火部件相同的XX點(diǎn)火藥作為點(diǎn)火裝藥。

3 主要性能試驗(yàn)

3.1 射流點(diǎn)火具內(nèi)腔P——t試驗(yàn)

主要裝配條件：電阻1.2Ω；發(fā)火部件裝藥 1.5g；裝藥直徑40mm；試驗(yàn)條件：發(fā)火電流3A。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，P——t曲線見圖2，表1中時(shí)間原點(diǎn)為圖2壓力開始上升所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

圖2 點(diǎn)火具內(nèi)腔P——t曲線Fig.2 P——t curve in igniter

表1 點(diǎn)火具內(nèi)腔P——t試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of P——t curve in igniter

表1數(shù)據(jù)表明：（1）發(fā)火部件作用后第14ms點(diǎn)火具內(nèi)腔產(chǎn)生最高壓強(qiáng)7.6MPa，第20ms到90ms壓強(qiáng)從3.6MPa上升到5.7MPa，之后壓強(qiáng)開始下降，第219ms時(shí)壓強(qiáng)下降為0；（2）點(diǎn)火具內(nèi)部有持續(xù)較高的壓強(qiáng)，為較長、高溫燃?xì)馍淞鞯男纬商峁┝丝煽?、有利的?dòng)力；（3）總體結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全可靠。

3.2 射流點(diǎn)火具輸出P——t試驗(yàn)

為進(jìn)一步試驗(yàn)射流點(diǎn)火具的輸出特性，對(duì)不同裝藥直徑的點(diǎn)火具進(jìn)行了P——t試驗(yàn)。

3.2.1 測(cè)壓器容積V1、不同直徑點(diǎn)火裝藥的P——t試驗(yàn)

主要裝配條件：電阻1.0～1.2Ω；發(fā)火部件裝藥1.5g；裝藥直徑31mm。試驗(yàn)條件：測(cè)壓器容積V1cm3，發(fā)火電流3A。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 裝藥直徑31 mm P——t試驗(yàn)結(jié)果 (MPa)Tab.2 P vs t test results of charge with 31mm diameter

主要裝配條件：電阻 1.0～1.2?；發(fā)火部件裝藥1.5g；裝藥直徑21mm。試驗(yàn)條件：測(cè)壓器容積V1cm3，發(fā)火電流3A。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 裝藥直徑21 mm的P——t試驗(yàn)結(jié)果 (MPa)Tab.3 P vs t test results of charge with 21mm diameter

表2～3試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：（1）在定容條件下，裝藥直徑大，則輸出壓力增大。裝藥直徑21mm的點(diǎn)火具在50ms時(shí)輸出壓力為0.22MPa，而裝藥直徑31mm的點(diǎn)火具壓力為0.56MPa；（2）從通電到最大壓強(qiáng)的最短時(shí)間為80ms。

3.2.2 測(cè)壓器容積V2、點(diǎn)火裝藥直徑40mmP——t試驗(yàn)

主要裝配條件：電阻0.63～0.66Ω；發(fā)火部件裝藥1.5g；裝藥直徑40mm。試驗(yàn)條件：測(cè)壓器容積V2cm3（V2＞V1），發(fā)火電流 2A。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 4，P——t曲線見圖3，表4中時(shí)間原點(diǎn)為圖3壓力開始上升對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線表明：該點(diǎn)火具 50ms時(shí)壓強(qiáng)為0.73MPa，83ms時(shí)達(dá)到最大壓強(qiáng)0.89MPa。

3.3 射流點(diǎn)火具火焰持續(xù)時(shí)間測(cè)試

為測(cè)量射流點(diǎn)火具火焰持續(xù)時(shí)間，使用APX-RS高速攝影儀進(jìn)行了測(cè)試。點(diǎn)火具主要裝配條件：電阻1.0～1.2?；發(fā)火部件裝藥 1.5g，裝藥直徑 40mm、21mm。試驗(yàn)條件：發(fā)火電流3A。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖3 裝藥直徑40mm P——t曲線Fig.3 P——t curve of charge with 40mm diameter

表4 裝藥直徑40mm的P——t試驗(yàn)結(jié)果 (MPa)Tab.4 P vs t test results of charge with 40mm diameter

表5 點(diǎn)火具火焰持續(xù)時(shí)間測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of the flame duration of ignitor

表5數(shù)據(jù)表明：裝藥直徑40mm和21mm射流點(diǎn)火具火焰持續(xù)時(shí)間分別為 182～228ms和 151～201ms，火焰持續(xù)時(shí)間均大于100ms。

3.4 點(diǎn)火具火焰長度測(cè)試

3.4.1 自然條件下點(diǎn)火具火焰長度測(cè)試

點(diǎn)火具主要裝配條件：電阻 1.0～1.2?；發(fā)火部件裝藥 1.5g；裝藥直徑40mm。試驗(yàn)條件：發(fā)火電流3A，圖4為試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 火焰長度試驗(yàn)Fig.4 The test of flame length

圖4中，射流點(diǎn)火具固定左側(cè)的鐵架上，火焰射流由左向右，黑白相間的管為外徑 140mm、內(nèi)徑130mm、長2 300mm的塑料管。結(jié)果顯示：點(diǎn)火具作用后火焰長度達(dá) 2 400mm，火焰直徑從開始的約100mm增加到長度為2 000mm時(shí)的約700mm。

3.4.2 塑料管內(nèi)點(diǎn)火具火焰長度測(cè)試

點(diǎn)火具主要裝配條件：電阻 1.0～1.2?；發(fā)火部件裝藥 1.5g；裝藥直徑40mm。試驗(yàn)方法：將點(diǎn)火具固定在虎鉗上，用外徑140mm、內(nèi)徑130mm、長2 300mm塑料管作為標(biāo)尺測(cè)量火焰長度，發(fā)火電流3A。試驗(yàn)結(jié)果：點(diǎn)火具作用后，火焰經(jīng)內(nèi)徑130mm、長2 300mm塑料管后長度達(dá)到約2 800mm。

3.4.3 測(cè)壓容器內(nèi)點(diǎn)火具火焰長度測(cè)試

點(diǎn)火具主要裝配條件：電阻 1.0～1.2?；發(fā)火部件裝藥 1.5g；裝藥直徑31mm、21mm。試驗(yàn)方法：將產(chǎn)品裝配在規(guī)定測(cè)壓容器內(nèi)、另一端口不密封，發(fā)火電流3A。試驗(yàn)數(shù)量各3發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果：點(diǎn)火具作用后，火焰長度分別為3 400～3 600mm和2 800～3 000mm。綜合結(jié)果表明：射流點(diǎn)火具作用后火焰長度，即燃?xì)馍淞鏖L度在規(guī)定測(cè)壓容器內(nèi)均能達(dá)到 2 800mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 震動(dòng)、靜電、高溫、低溫等試驗(yàn)

對(duì)3種直徑裝藥的點(diǎn)火具分別進(jìn)行了震動(dòng)、靜電、高溫、低溫等試驗(yàn)，試驗(yàn)后性能滿足要求。

4 射流點(diǎn)火具與藥盒式電點(diǎn)火具輸出特性、功能對(duì)比

表6是某火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥盒式電點(diǎn)火具P——t試驗(yàn)結(jié)果，圖5是該電點(diǎn)火具P——t曲線，表6中時(shí)間原點(diǎn)為圖5壓力開始上升所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。點(diǎn)火具主裝藥為黑火藥，測(cè)壓容器內(nèi)測(cè)壓。由表2、3、4、6數(shù)據(jù)和圖3、5曲線得知：（1）藥盒式電點(diǎn)火具約30ms時(shí)達(dá)到最大壓強(qiáng)4MPa左右，之后壓強(qiáng)下降；（2）射流點(diǎn)火具80ms內(nèi)壓強(qiáng)逐漸上升；（3）藥盒式點(diǎn)火具點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥壓強(qiáng)較高為4MPa左右，射流點(diǎn)火具點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥壓強(qiáng)較低，50ms時(shí)為0.2～0.7MPa。

表6 某藥盒式電點(diǎn)火具P——t試驗(yàn)結(jié)果 （MPa）Tab.6 P vs t test result of traditional ignitor

圖5 某藥盒式電點(diǎn)火具P——t曲線Fig.5 The P——t curve of traditional electric ignitor

數(shù)據(jù)表明，射流點(diǎn)火具與藥盒式點(diǎn)火具點(diǎn)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理有一定區(qū)別：射流點(diǎn)火具是利用點(diǎn)火具點(diǎn)火裝藥燃燒后形成較長高溫燃?xì)馍淞餮杆冱c(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)孔表面，并在較低壓強(qiáng)作用下使發(fā)動(dòng)機(jī)工作。這種點(diǎn)火具作用后輸出壓強(qiáng)小，發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥前后端點(diǎn)火迅速、平穩(wěn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥沒有破壞和損傷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠、穩(wěn)定。藥盒式點(diǎn)火具是利用點(diǎn)火具點(diǎn)火裝藥產(chǎn)生的高溫和較高壓強(qiáng)點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作，這種點(diǎn)火具在惡劣環(huán)境條件下作用后因壓強(qiáng)較高，對(duì)其臨近的發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥有可能造成一定的破壞或損傷。

5 射流點(diǎn)火具與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)匹配試驗(yàn)

5.1 前置射流點(diǎn)火P——t試驗(yàn)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，點(diǎn)火具布置在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)底部，即前置射流點(diǎn)火。結(jié)果表明，射流點(diǎn)火具工作曲線與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作曲線擬合光滑、平穩(wěn)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。

5.2 后置射流點(diǎn)火P——t試驗(yàn)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，點(diǎn)火具布置在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管部位，即后置射流點(diǎn)火。結(jié)果表明，射流點(diǎn)火具工作曲線與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作曲線擬合光滑、平穩(wěn)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。

6 結(jié)論

通過射流點(diǎn)火具的設(shè)計(jì)與研究，得到結(jié)論如下：

（1）射流點(diǎn)火具內(nèi)腔壓強(qiáng)較高，在2 000mm長火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥孔內(nèi)能噴射不低于裝藥長度的高溫燃?xì)馍淞鳎?/p>

（2）射流點(diǎn)火具火焰持續(xù)時(shí)間大于100ms；

（3）射流點(diǎn)火具點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥壓強(qiáng)較低，50ms時(shí)為0.2～0.7MPa，藥盒式點(diǎn)火具點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥壓強(qiáng)較高，為4MPa左右；

（4）射流點(diǎn)火具與藥盒式點(diǎn)火具點(diǎn)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理有一定區(qū)別，射流點(diǎn)火具是利用點(diǎn)火具點(diǎn)火裝藥燃燒后形成較長高溫燃?xì)馍淞餮杆冱c(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)孔表面，并在較低壓強(qiáng)作用下使發(fā)動(dòng)機(jī)工作。這種點(diǎn)火具作用后輸出壓強(qiáng)小，發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥前后端點(diǎn)火迅速、平穩(wěn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥沒有破壞和損傷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠、穩(wěn)定。藥盒式點(diǎn)火具是利用點(diǎn)火具點(diǎn)火裝藥產(chǎn)生的高溫和較高壓強(qiáng)點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作。這種點(diǎn)火具在惡劣環(huán)境條件下作用后因壓強(qiáng)較高，對(duì)其臨近的發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥有可能造成一定的破壞或損傷；

（5）該項(xiàng)技術(shù)適用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的前置射流點(diǎn)火和后置射流點(diǎn)火，并有利于提高火箭彈落點(diǎn)精度和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的總體技術(shù)水平。

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