一種小型姿控推沖器輸出性能的試驗(yàn)研究

李志良，華 琦，趙 亮，劉海旭，喬改霞，吳玉均

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一種小型姿控推沖器輸出性能的試驗(yàn)研究

李志良，華 琦，趙 亮，劉海旭，喬改霞，吳玉均

（北方特種能源集團(tuán)有限公司西安慶華公司，陜西 西安，710025）

從主裝藥、點(diǎn)火藥、噴管和剪切片4個(gè)方面對(duì)姿控推沖器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)推力試驗(yàn)驗(yàn)證了主裝藥類型、點(diǎn)火藥類型、噴管的喉徑、擴(kuò)張比和擴(kuò)張角以及剪切片厚度和材料對(duì)輸出性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：主裝藥采用改性雙基推進(jìn)劑GQ-3時(shí)推沖器比沖可達(dá)207.5s；點(diǎn)火藥采用硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥時(shí)點(diǎn)火時(shí)間最小為0.32ms；噴管喉徑為Φ2.5mm、擴(kuò)張角為70°、擴(kuò)張比為2.4時(shí)總沖量達(dá)到3.50N·s，比沖達(dá)208.6s；剪切片采用0.3mm厚的銅帶時(shí)作用時(shí)間最短為4.15ms，峰值推力達(dá)到1 420N。

姿控推沖器；改性雙基推進(jìn)劑；比沖；總沖量；推力

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)要求智能化彈藥具有精確打擊能力，通過(guò)小型姿控推沖器對(duì)其末段飛行彈道進(jìn)行修正，可以提高其命中率。姿控推沖器尤其適用于高馬赫數(shù)下或稀薄大氣層中對(duì)飛行器進(jìn)行姿態(tài)與軌道控制。例如，美國(guó)的PAC-3愛國(guó)者導(dǎo)彈和俄羅斯的S-400導(dǎo)彈均安裝了多個(gè)姿控推沖器作為末段軌控動(dòng)力系統(tǒng)，用于修正飛行彈道，并提高打擊精度[1]。本文設(shè)計(jì)了一種小型的姿控推沖器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、作用時(shí)間快、輸出能量高的特點(diǎn)，通過(guò)推力試驗(yàn)研究了影響輸出性能的因素和規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

姿控推沖器主要由上噴管、剪切片、下噴管、上擋藥板、主裝藥、殼體、下?lián)跛幇搴忘c(diǎn)火管等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 姿控推沖器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，噴管設(shè)計(jì)為上、下兩個(gè)噴管，上噴管與殼體通過(guò)螺紋連接，上、下噴管將剪切片夾緊固定，這種結(jié)構(gòu)能較好地控制剪切壓力，從而保證點(diǎn)火壓力和點(diǎn)火可靠性。上、下?lián)跛幇鍖⒅餮b藥固定在殼體中，上、下?lián)跛幇寰O(shè)計(jì)了多孔結(jié)構(gòu)，有利于氣體流動(dòng)。點(diǎn)火管通過(guò)上、下螺紋分別與下?lián)跛幇搴蜌んw連接，為達(dá)到快速響應(yīng)點(diǎn)火和鈍感化要求，點(diǎn)火管橋路采用半導(dǎo)體橋，接到發(fā)火指令后，橋路首先作用，引燃點(diǎn)火藥，再點(diǎn)燃主裝藥，同時(shí)將剪切片沖破。主裝藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，燃?xì)馔ㄟ^(guò)下噴管和上噴管后流動(dòng)排出，產(chǎn)生脈沖推力。使用時(shí)，姿控推沖器通過(guò)殼體的外螺紋安裝在被修正的彈體上。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主裝藥選擇與試驗(yàn)

姿控推沖器在規(guī)定的作用時(shí)間內(nèi)輸出推力，推力與作用時(shí)間的積分為總沖量，總沖量的大小決定了姿控推沖器輸出能量的大小。主裝藥作為姿控推沖器的能量源，必須具有較高的裝藥能量才能輸出高的總沖量。表1比較了推沖器主裝藥為某改性雙基推進(jìn)劑GQ-3、9/7三基發(fā)射藥、2號(hào)大粒黑的輸出性能[2]，推力——時(shí)間曲線見圖2。點(diǎn)火時(shí)間指從通電到推力上升至峰值推力10%的時(shí)間，作用時(shí)間指從通電至推力下降至峰值推力10%的時(shí)間。

表1 不同主裝藥時(shí)推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Test result of ACM for different main charge

圖2 不同主裝藥時(shí)推沖器的推力——時(shí)間曲線

2.2 點(diǎn)火藥選擇與試驗(yàn)

為保證主裝藥可靠點(diǎn)燃，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物中應(yīng)有高溫高壓氣體和灼熱粒子。燃?xì)庠谘b藥自由空間內(nèi)擴(kuò)散，灼熱粒子與主裝藥表面接觸，以對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射方式向主裝藥傳熱，提高了主裝藥表面溫度，并將主裝藥加熱到發(fā)火點(diǎn)溫度，開始點(diǎn)火。產(chǎn)生的初始火焰向整個(gè)裝藥傳播，主裝藥進(jìn)入正常燃燒，點(diǎn)火過(guò)程完成[3]。表2比較了主裝藥為改性雙基推進(jìn)劑GQ-3、3種點(diǎn)火藥量均為75mg時(shí)推沖器的輸出性能，推力——時(shí)間曲線見圖3。

表2 不同點(diǎn)火藥時(shí)推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Test result of ACM for different ignition powder

圖3 不同點(diǎn)火藥時(shí)推沖器的推力——時(shí)間曲線

2.3 噴管試驗(yàn)

噴管的功能是將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為輸出推力，實(shí)現(xiàn)做功。噴管轉(zhuǎn)化效率的高低影響輸出能量的大小。影響噴管轉(zhuǎn)化效率的因素包括喉徑、擴(kuò)張比和擴(kuò)張角等。根據(jù)相關(guān)資料，下噴管的參數(shù)對(duì)輸出性能影響不大，本文只對(duì)上噴管的參數(shù)進(jìn)行研究。

表3比較了不同喉徑下推沖器的輸出性能，推力——時(shí)間曲線見圖4；表4比較了不同擴(kuò)張比下推沖器的輸出性能，推力——時(shí)間曲線見圖5；表5比較了不同擴(kuò)張角下推沖器的輸出性能，推力——時(shí)間曲線見圖6。推沖器主裝藥均為改性雙基推進(jìn)劑GQ-3。

表3 不同喉徑下推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Test result of ACM for different throat diameter

圖4 不同喉徑下推沖器的推力——時(shí)間曲線

表4 不同擴(kuò)張比下推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Test result of ACM for different divergence ratio

圖5 不同擴(kuò)張比下推沖器的推力——時(shí)間曲線

表5 不同擴(kuò)張角下推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Test result of ACM for different divergence angle

圖6 不同擴(kuò)張角下推沖器的推力——時(shí)間曲線

2.4 剪切片的選擇和試驗(yàn)

通過(guò)控制剪切片材料和厚度控制剪切壓力，剪切壓力必須大于主裝藥的臨界點(diǎn)火壓力，才能保證主裝藥全面點(diǎn)火，從而保證產(chǎn)品作用可靠性。表6比較了相同喉徑下剪切片為不同材料和厚度時(shí)推沖器的輸出性能，推力——時(shí)間曲線見圖7。主裝藥均為改性雙基推進(jìn)劑GQ-3。

表6 不同剪切片時(shí)推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.6 Test result of ACM for different shear slice

圖7 不同剪切片時(shí)推沖器的推力——時(shí)間曲線

3 結(jié)果與討論

由表1中數(shù)據(jù)可得，3種主裝藥的點(diǎn)火時(shí)間和作用時(shí)間相當(dāng)，但改性雙基推進(jìn)劑GQ-3的裝藥量、峰值推力、總沖量和比沖都最大；推進(jìn)劑在設(shè)計(jì)的工作壓力下燃燒穩(wěn)定，能量釋放完全，圖2中曲線下的面積最大。發(fā)射藥雖具有較高的能量，但是低壓下燃速較低，能量釋放不完全，曲線下的面積最小。黑火藥燃速較高，但是比沖較低，達(dá)不到高能裝藥，輸出總沖量也有限。在其他條件相同時(shí)，推進(jìn)劑GQ-3在有限的裝藥空間下裝藥總能量和輸出能量最高。

由表2中數(shù)據(jù)可得，推沖器的點(diǎn)火藥為硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥時(shí)點(diǎn)火時(shí)間、峰值時(shí)間和作用時(shí)間短，說(shuō)明硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥的點(diǎn)火能力強(qiáng)，同時(shí)主裝藥燃燒穩(wěn)定，提高了輸出推力、總沖量和比沖。硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥之所以較黑火藥和鎂-聚四氟乙烯點(diǎn)火藥的點(diǎn)火匹配性好，是由于它的燃燒產(chǎn)物中灼熱粒子即凝固相成分較黑火藥的多，氣相成分較鎂-聚四氟乙烯點(diǎn)火藥的多。而改性雙基推進(jìn)劑的點(diǎn)火與點(diǎn)火壓力和固相加熱層有關(guān)，在硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥的點(diǎn)火作用下更為敏感，容易達(dá)到著火點(diǎn)和臨界點(diǎn)火壓力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

從表3中數(shù)據(jù)可得，在噴管擴(kuò)張比和擴(kuò)張角相同時(shí)，通過(guò)減小喉徑可縮短作用時(shí)間，同時(shí)提高峰值推力、總沖量和比沖，但是對(duì)點(diǎn)火時(shí)間和峰值時(shí)間影響不大。因?yàn)楹韽綔p小后，氣體排出流量降低，殼體內(nèi)燃燒壓力升高，推進(jìn)劑的燃速增加，燃燒時(shí)間變短，推進(jìn)劑的燃燒更加充分，輸出能量提高。

從表4中數(shù)據(jù)可得，在噴管喉徑和擴(kuò)張角相同時(shí)，隨著擴(kuò)張比的增加，峰值推力、總沖量和比沖先提高后降低，但是對(duì)點(diǎn)火時(shí)間、峰值時(shí)間和作用時(shí)間影響不大。擴(kuò)張比小時(shí)，燃?xì)馇放蛎浂鴽](méi)有充分加速，熱能沒(méi)有最大限度地轉(zhuǎn)化為推力；擴(kuò)張比增加到一定值時(shí)，燃?xì)馀蛎洺浞?，推力提高；擴(kuò)張比繼續(xù)增加后，燃?xì)膺^(guò)膨脹，噴管內(nèi)外壁面上有一部分壓力在軸向的合力與推力方向相反，起到抵消的作用，推力反而降低。

從表5中數(shù)據(jù)可得，在噴管喉徑和擴(kuò)張比相同時(shí)，隨著擴(kuò)張角的增加，峰值推力、總沖量和比沖呈增加趨勢(shì)，作用時(shí)間呈減小趨勢(shì)，而對(duì)點(diǎn)火時(shí)間和峰值時(shí)間影響不大。說(shuō)明擴(kuò)張角增加后，燃?xì)馀蛎洸⒊浞旨铀?，熱能轉(zhuǎn)化效率提高。但由于推沖器外形尺寸限制，擴(kuò)張角不能繼續(xù)增大。

由表6中的數(shù)據(jù)可得，三者點(diǎn)火時(shí)間相當(dāng)，剪切片材料相同時(shí)隨著厚度的增加，推沖器的峰值時(shí)間和作用時(shí)間降低，峰值推力、總沖量和比沖得到提高；剪切片厚度相同時(shí)，銅帶與鋁帶相比推沖器的峰值時(shí)間和作用時(shí)間降低，峰值推力、總沖量和比沖得到提高。由于剪切片厚度和材料強(qiáng)度的增加，剪切壓力增加，提高了點(diǎn)火壓力，推進(jìn)劑的點(diǎn)火和燃燒更充分，使峰值時(shí)間和作用時(shí)間降低，輸出能量提高。

4 結(jié)論

（1）姿控推沖器的外形尺寸較小，裝藥空間有限，主裝藥采用改性雙基推進(jìn)劑GQ-3時(shí)提高了裝藥和輸出能量；

（2）主裝藥為改性雙基推進(jìn)劑GQ-3、點(diǎn)火管采用硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥時(shí)，兩者點(diǎn)火匹配性好，可提高輸出能量；

（3）減小喉徑和增加擴(kuò)張角時(shí)，推沖器的作用時(shí)間變短、輸出能量提高、轉(zhuǎn)化效率提高，喉徑減至Φ2.5mm時(shí)，曲線形狀由類平臺(tái)變?yōu)槿切危缓韽綖棣?.5mm、擴(kuò)張角為70°、擴(kuò)張比為2.4時(shí)總沖量最高達(dá)3.50N·s，比沖最高達(dá)208.6s；

（4）剪切片采用0.3mm的銅帶時(shí)推沖器的作用時(shí)間最短為4.15ms，峰值推力達(dá)到1 420N。

（5）本研究的姿控推沖器可為彈道修正和飛行控制提供技術(shù)支撐。

[1] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).兵器科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2009.

[2] 張續(xù)柱.雙基火藥[M].北京:北京理工大學(xué),1997.

[3] 屠小昌,王建生.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火藥量的計(jì)算[J].固體火箭技術(shù),2000,23(4):5-6.

Study on Output Performance of A Small Attitude Control Motor

LI Zhi-liang，HUA Qi，ZHAO Liang，LIU Hai-xu，QIAO Gai-xia，WU Yu-jun

(North Special Energy Group Co. Ltd., Xi’an, 710025)

The attitude control motor（ACM） was designed from four aspects, such as main charge, ignition charge, nozzle and shear slice. The effects law of main charge type, ignition charge type, the throat diameter, divergence ratio and divergence angle of nozzle, and the thickness and material of shear slice on output performance were verified by thrust test. The results showed that, the specific impulse reached to 207.5s using the composite modified double base propellant named GQ-3, the minimum ignition time was 0.32ms using B-KNO3ignition powder, the specific impulse reached to 208.6s and the total impulse reached as high as 3.50N·s, when the nozzle throat diameter was 2.5mm, the divergence angle was 70° and the divergence ratio was 2.4. The maximum thrust reached to 1 420N and the shortest action time was 4.15ms, when the thickness of shear slice was 0.3mm using copper belt.

Attitude control motor(ACM)；Composite modified double base propellant；Specific impulse；Total impulse；Thrust

TJ45+6

A

1003-1480（2014）04-0001-04

2014-06-18

李志良（1982-），男，工程師，主要從事火工品研制。