某固體火箭發(fā)動機點火器藥柱斷裂分析與改進

程 翔，黃少波，唐順厚

（1.中國空空導彈研究院第四研究所，河南 洛陽，471009；2.兵裝204廠，四川 成都， 610106）

點火器是空空導彈固體火箭發(fā)動機的重要部件，點火藥柱作為點火器的重要組成部分，其作用是在規(guī)定時間內，將發(fā)動機裝藥正?？煽康攸c燃，且不允許出現過大的點火壓強峰，或較長的點火延遲時間。如果點火藥柱出現斷裂，則點火時會產生過大的點火壓強峰，從而影響發(fā)動機裝藥工作安全性。為此，研究者開展了大量研究。羅運軍等[1]曾對硝銨火藥試片進行了不同溫度下的單邊裂紋拉伸試驗，以分析其斷裂機理；潘文庚等[2]運用失效物理分析方法，分析了長貯彈藥失效的幾種常見模型及失效因素；李俊等[3]對鎢系延期藥柱進行了力學分析和高過載試驗，并通過CT觀察藥柱損傷狀況；徐新琦等[4]應用有限元法分析了固體火箭發(fā)動機藥柱在隨機振動條件下各部位的應力應變水平。以上研究分別通過拉伸試片、動力試驗、強度仿真等方法分析得出了不同火工藥劑的力學性能及斷裂機理，而B/KNO3作為導彈發(fā)動機點火器的點火藥柱，其斷裂失效在國內外尚未見相關研究。

本課題組以B/KNO3為點火藥柱的點火器為目標，對其接近或達到貯存壽命期限后，在導彈掛飛的溫度、動力環(huán)境下的工作狀態(tài)進行了探索。主要針對研究中出現的點火藥柱斷裂故障，采用徑向壓力及強度仿真方法進行了原因分析，在完整復現故障的同時，提出了改進措施并進行了驗證。

1 故障現象及分析

1.1 試驗方案及流程

為研究接近或達到貯存壽命期限的點火器在隨導彈掛飛時的溫度、動力環(huán)境下能否正常工作，采用加速老化試驗，針對以B/KNO3為點火藥柱的某點火器進行試驗，試驗流程見圖1。

圖1 點火器試驗流程Fig.1 Diagram of tests for igniter

點火器依據GJB 736.14《火工品試驗方法 長期貯存壽命測定》分別進行了42d、56d的加速老化試驗，換算貯存時間分別為15a、20a。溫度試驗采用504CT/15溫箱，保溫時間18h，溫度波動不超過±1℃；采用LDSV895-440電磁振動臺對點火器進行機動飛振動考核；采用CZTB-100垂直沖擊臺對點火器進行著陸沖擊考核。

點火器發(fā)火及測量試驗在模擬容腔中進行，根據所測的點火延遲時間及點火壓強峰是否滿足設計指標，可考察點火器在其貯存壽命期限內能否正常工作、點燃發(fā)動機裝藥。

1.2 失效樣品

按圖1流程在X光探傷環(huán)節(jié)中發(fā)現：低溫下動力環(huán)境試驗后的點火藥柱（加速老化42d，56d各3發(fā)）出現斷裂，且6發(fā)產品的斷裂現象與位置基本一致。斷裂示意圖如圖2所示。點火藥柱由4根B/KNO3藥環(huán)粘接組成，B/KNO3藥柱的密度不小于1.7g/cm3，爆熱大于6 270kJ/kg，燃速不低于30mm/s（6MPa）。點火藥柱兩側端面分別由前、后支架進行軸向固定，藥柱表面粘接支撐墊后，裝入點火器的復合殼體，與之配合形成徑向支撐。藥柱在支撐措施的固定及緩沖作用下，均勻承受規(guī)定條件的沖擊、振動試驗產生的徑向破碎力，且由于藥柱自身具有一定的強度，可在徑向破碎力的作用下能夠保持結構完整。

圖2 點火藥柱斷裂示意圖Fig.2 Schematic of cracked igniter grain

1.3 故障樹分析

本研究采用工程分析中的故障樹方法排查斷裂原因，見圖3。分析認為：當發(fā)生試驗量級放大、藥柱質量下降、緩沖措施失效時，將導致藥柱受力增大，產生斷裂。

圖3 點火藥柱斷裂故障樹Fig.3 Schematic of fault tree for crack of igniter grain

2 試驗結果與討論

依據故障樹中引起斷裂的因素，對點火器進行了外觀檢查、內部結構X光照射，并對振動臺進行校準，排查點火藥柱受潮、支撐材料脫落、振動量級放大等因素。結果發(fā)現，這些因素不存在問題，不會引起藥柱斷裂。

2.1 老化與低溫對藥柱強度的影響

由于藥柱徑向破壞力可反映其強度，為排查老化與低溫對藥柱強度的影響，對B/KNO3藥環(huán)（與1.2節(jié)試驗產品同一批次生產）進行不同時間的加速老化試驗，然后通過LJ-500型拉力試驗機分別對常溫、低溫下的老化藥柱進行徑向壓力試驗（示意圖見圖4），檢驗老化、低溫對藥柱強度的影響。其中常溫條件為+23℃下保溫18h，試驗數量24發(fā)；低溫條件為-55℃下保溫18h，試驗數量8發(fā)。測量數據分別見表1～2。

圖4 B/KNO3藥環(huán)徑向壓力試驗示意圖Fig.4 Schematic of compression test for igniter grain

表1 B/KNO3老化藥環(huán)常溫徑向壓力試驗（N）Tab.1 Compression strength test of aged grain at +23℃

表2 B/KNO3老化藥環(huán)低溫徑向壓力試驗（N）Tab.2 Compression strength test of aged grain at -55℃

由表1可見，由于材料的固有特性，藥柱在加速老化試驗后抗拉、剪切等強度均發(fā)生下降，表現在其徑向破壞力隨加速老化時間加長而逐漸降低，但均在正常指標（由藥柱抗拉強度理論計算得出，屬內部質控指標）之上。由表2可見，低溫下藥柱徑向抗壓強度同樣均在正常技術指標之上，因此可排除老化、低溫的影響因素。

2.2 支撐墊與復合殼體之間間隙過大對藥柱的影響

支撐墊的最大外徑為29mm，復合殼體內徑為29.0～29.2mm。本研究對1.2節(jié)中2發(fā)正常及4發(fā)故障點火器進行分解并測量其支撐墊外徑、殼體內徑尺寸，具體結果如表3所示。由表3可見，編號1的產品中支撐墊與復合殼體之間為過盈配合，徑向支撐功能正常。編號2的產品中支撐墊與復合殼體之間間隙極小，支撐墊與復合殼體之間仍存在部分接觸，支撐墊仍具有徑向支撐功能，藥柱未發(fā)生斷裂。編號3～6的產品中，支撐墊與復合殼體之間存在較大間隙，支撐墊沒有起到徑向支撐作用，導致藥柱處于懸臂梁的受力狀態(tài)，在沖擊、振動過程中藥柱出現應力集中區(qū)域并產生斷裂，因此認為該因素可能致使斷裂產生。

表3 分解產品測量結果Tab.3 Measurement of disassemble igniter

2.3 支撐墊排列不合理

點火藥柱支撐墊排列不合理也可能使藥柱局部應力集中并產生斷裂，對此利用SolidWorks Simulation進行強度應力仿真。本算例設定支撐墊為環(huán)形且功能正常，選用實體特征進行建模，用二次四面體單元劃分網格，重點對支撐墊與藥柱貼合部位進行局部網格細化，調整網格大小，使模型在合理的時間內獲得最佳的計算精度。設定藥柱前后端面、支撐墊外環(huán)面為固定約束面，藥柱整體均勻加載50g。藥柱彈性模量為200MPa，泊松比0.30，支撐墊彈性模量為15MPa，泊松比0.498，藥柱應力如圖5所示。

圖5 點火藥柱應力云圖Fig.5 Stress distribution of igniter grain

圖5中藥柱所受的最大應力為1.479MPa，位置在鄰近前支架的支撐墊處，應力集中區(qū)域較大，與圖2所示的藥柱斷裂處較為吻合。

2.4 故障機理與復現

故障機理分析認為：點火藥柱粘接支撐墊后與復合殼體之間的間隙過大，同時支撐墊排列布局不合理，造成藥柱處于懸臂梁狀態(tài)，在振動、沖擊試驗中藥柱出現應力集中區(qū)域并導致斷裂。

為驗證該故障機理，選取了與1.2節(jié)相同批次生產的點火藥柱裝配成8發(fā)點火器，按照圖1流程（不進行加速老化及點火試驗）進行復試，經X光探傷檢測藥柱狀態(tài)見表4。表4結果表明：支撐墊與復合殼體之間無間隙或間隙較小時，藥柱保持完好；支撐墊與復合殼體之間間隙過大時，藥柱出現斷裂，且斷裂部位與故障產品一致，完好地再現了故障現象。

表4 故障復現試驗條件與結果Tab.4 Failure diagnosis and results

3 改進及驗證試驗

為消除間隙，改進設計中將點火藥柱粘接支撐墊后的外徑控制在29.3mm(使支撐墊的壓縮量在0.05～0.15mm，低溫下隨著支撐墊收縮仍具備壓縮量，高溫下支撐墊膨脹但不會對藥柱強度造成影響)，裝配后確保藥柱100%處于徑向支撐狀態(tài)。根據圖5的仿真結果對支撐墊布局進行優(yōu)化，以消除或削弱藥柱應力集中區(qū)域。首先保持應力區(qū)域及強度較小的兩組支撐墊位置（靠近后支架）不變，剩余一組支撐墊（靠近前支架）位置調整至應力集中區(qū)域加強藥柱緩沖作用，并在靠近前支架的藥環(huán)中心增加一組支撐墊，以防止該處出現應力增大效果。經Solid Works Simulation仿真后選取的支撐墊布局見圖6，應力分析見圖7。

圖6 支撐墊布局示意圖Fig.6 Schematic of improved arrangement of lip block

圖7 改進后藥柱應力云圖Fig.7 Stress distribution of improved igniter grain

圖7中最大應力為1.136MPa，位置在鄰近前支架的支撐墊處。對比圖 5，改進后的藥柱應力分布更為合理，最大應力下降約23% ，且應力集中區(qū)域及最大應力強度均有效縮減，從而有效增強了藥柱的徑向支撐效果。采取上述改進措施后生產36發(fā)點火器，按照圖1進行了試驗，常溫、低溫下動力環(huán)境試驗后X光探傷結果表明：點火藥柱均未出現裂紋、斷裂等現象。說明改進措施簡單有效，消除了斷裂故障。36發(fā)點火器在發(fā)火試驗中均可靠點火，點火壓強峰、點火延遲時間等指標均滿足設計要求，表明點火器達到貯存期限后，在隨導彈掛飛時的溫度、動力環(huán)境下能夠正常、可靠地點燃發(fā)動機裝藥。

4 結論

（1）點火藥柱粘接支撐墊后與復合殼體之間的間隙過大，以及支撐墊的排列布局不合理，導致了藥柱斷裂；（2）通過尺寸優(yōu)化設計，確保點火藥柱粘接支撐墊后與復合殼體之間處于過盈配合。通過應力仿真分析，增加了一組支撐墊并優(yōu)化了位置布局，使藥柱所受的最大應力下降約23% ；（3）采取改進措施后的產品在相同試驗后點火藥柱結構完好，消除了斷裂故障；本試驗流程可有效考核達到貯存期的點火器在導彈掛飛狀態(tài)工作是否正常、可靠。

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