一種新型姿控推沖器的設(shè)計(jì)和研究

李志良，楊正才，劉海旭，王科偉，趙 亮，喬改霞，吳玉均

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一種新型姿控推沖器的設(shè)計(jì)和研究

李志良，楊正才，劉海旭，王科偉，趙 亮，喬改霞，吳玉均

（北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，陜西西安，710025）

為了設(shè)計(jì)一種高輸出能量的姿控推沖器，從主裝藥、點(diǎn)火管、殼體、噴管和堵片等方面進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，確定了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明推沖器作用一致性好，實(shí)測比沖最高達(dá)236.8s，滿足技術(shù)指標(biāo)要求；安全電流、沖擊、錘擊及飛行搭載試驗(yàn)表明該推沖器使用安全。

姿控推沖器；設(shè)計(jì)；比沖；錘擊

姿控推沖器主要用于高速動(dòng)能導(dǎo)彈、火箭彈以及末敏彈等靈巧彈藥的彈道修正和飛行控制，姿控推沖器控制技術(shù)具有快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)和控制邏輯相對簡單、成本低廉、能夠全天候工作等顯著優(yōu)點(diǎn)，在常規(guī)彈藥的簡易制導(dǎo)化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。本研究設(shè)計(jì)了一種新型的姿控推沖器，采用復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑和多噴管輸出脈沖推力，具有結(jié)構(gòu)新穎、實(shí)測比沖高、作用一致性好的特點(diǎn)。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

（1）電阻：0.8～1.4Ω；（2）工作電流：在5～6A直流電流、持續(xù)時(shí)間5ms下可靠發(fā)火；（3）安全電流：（200±5）mA直流電流、持續(xù)5min下不應(yīng)發(fā)火；（4）點(diǎn)火時(shí)間：從通電到推力曲線上升至峰值推力10％的時(shí)間間隔為（1±0.4）ms；（5）工作時(shí)間：從推力上升段峰值推力10％的推力點(diǎn)到推力下降段峰值推力10％的推力點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為（7.5±0.5）ms；（6）總沖量：工作時(shí)間內(nèi)推力——時(shí)間曲線下的面積為（6.7±0.5）N·s；（7）沖擊：±X，50g，11ms，半正弦波1次；（8）錘擊：側(cè)向11齒、1次。

1.2 結(jié)構(gòu)

該推沖器屬于直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，示意圖見圖1，點(diǎn)火管示意圖見圖2。點(diǎn)火管接到發(fā)火指令后，橋路首先作用，引燃點(diǎn)火藥，再引燃輸出裝藥，輸出裝藥的燃燒產(chǎn)物通過下?lián)跛幇宓膫骰鹜ǖ肋M(jìn)入殼體內(nèi)的裝藥自由空腔，點(diǎn)燃主裝藥；主裝藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，燃?xì)鈮毫_(dá)到堵片的剪切強(qiáng)度時(shí)，堵片破口，燃?xì)馔ㄟ^噴管流動(dòng)排出，產(chǎn)生脈沖推力。

圖1 推沖器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 點(diǎn)火管結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 主要組成部分的設(shè)計(jì)與確定

1.3.1主裝藥設(shè)計(jì)與確定

主裝藥設(shè)計(jì)需兼顧加工性能以及能量、燃速和弧厚等參數(shù)。雙基推進(jìn)劑理論比沖約為200～220s，10MPa下燃速為10mm/s左右，改性雙基推進(jìn)劑理論比沖約為230～270s，10MPa下燃速為25～35mm/s。推沖器外形尺寸為Φ17mm×42mm，但是總沖量要求高、工作時(shí)間短，采用以上兩種推進(jìn)劑時(shí)裝藥量大、弧厚小、加工性能差，需采用更高能量和燃速的推進(jìn)劑。復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑綜合了雙基推進(jìn)劑和復(fù)合推進(jìn)劑的優(yōu)點(diǎn)[2]，復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑GATo理論比沖約為270s，10MPa下的燃速約為61mm/s。實(shí)測比沖以230s計(jì)時(shí)裝藥量約為3g，藥型設(shè)計(jì)為管狀藥，方便自由裝填，并具有近似衡面燃燒特性，計(jì)算得出弧厚約為0.46mm。

1.3.2橋路和點(diǎn)火藥設(shè)計(jì)與確定

根據(jù)電性能要求，橋路采用直徑為Φ0.040mm的鎳鉻電阻合金絲6J20（R），采用錫焊，電阻內(nèi)控在0.9～1.3Ω之間，涂覆的點(diǎn)火藥為摻有1號硝基漆的斯蒂芬酸鉛，在5A直流電流下發(fā)火時(shí)間為0.4～0.5ms。由感度升降法計(jì)算得出，最大不發(fā)火電流為321mA，最小全發(fā)火電流為503mA，與指標(biāo)相比均有一定裕度。表1比較了不同點(diǎn)火藥藥量下推沖器的輸出性能。

表1 不同點(diǎn)火藥量下推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Test result of ACM with different ignition powder mass

由表1可見，點(diǎn)火藥藥量為4mg時(shí)點(diǎn)火藥燃燒不充分，點(diǎn)火能量不足，點(diǎn)火不充分，點(diǎn)火時(shí)間較長。藥量為15mg時(shí)點(diǎn)火猛度大，造成電極塞底部涂膠脫落、漏煙。點(diǎn)火藥藥量為8～12mg時(shí)點(diǎn)火時(shí)間、工作時(shí)間和總沖量均有一定裕度，并且不影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.3.3點(diǎn)火管輸出裝藥設(shè)計(jì)

點(diǎn)燃復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑所需的溫度和壓力介于雙基推進(jìn)劑和復(fù)合推進(jìn)劑之間，為兼顧推沖器可靠點(diǎn)燃和點(diǎn)火時(shí)間要求，首選硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥。硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥感度高、低壓下易引燃、點(diǎn)火峰值壓力大、燃燒時(shí)間較短。表2比較了硼-硝酸鉀不同藥量時(shí)推沖器的輸出性能。

表2 不同點(diǎn)火管輸出裝藥藥量下推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Test result of ACM with different mass of output charge of igniter

由表2可見，隨著輸出裝藥量的增加，點(diǎn)火能量提高，推進(jìn)劑點(diǎn)火充分，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間變短。點(diǎn)火藥量為40～60mg時(shí)ACM點(diǎn)火時(shí)間、工作時(shí)間和總沖量均滿足指標(biāo)要求。點(diǎn)火藥藥量為70mg時(shí)，點(diǎn)火猛度大，有可能破壞藥環(huán)，使燃面增加、工作時(shí)間變短。因此，點(diǎn)火藥量為50mg時(shí)點(diǎn)火能量有一定裕度并且點(diǎn)火猛度適中。

1.3.4殼體設(shè)計(jì)

殼體為薄壁結(jié)構(gòu)，為了提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，殼體材料選用了耐熱鋼棒1Cr11Ni2W2MoV，其高溫強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變極限都很高，同時(shí)具有良好的沖擊韌性。與30CrMnSiA材料相比后期不用進(jìn)行電鍍等防腐處理，可降低成本。殼體與噴管采用M14×1-6h的螺紋連接，工作壓力以50MPa計(jì)，計(jì)算得出螺紋抗剪裕度系數(shù)為8。殼體內(nèi)徑影響自由容腔、燃通比和工作壓力，表3比較了內(nèi)徑為Φ13mm、Φ13.5mm、Φ14.5mm時(shí)推沖器的輸出性能。

表3 不同殼體內(nèi)徑時(shí)推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Test result of ACM with different inside diameter of shell

由表3可見，隨著殼體內(nèi)徑的增加，裝藥自由容腔變大，在相同的點(diǎn)火能量下點(diǎn)火壓力降低，點(diǎn)火時(shí)間變長，同時(shí)工作壓力降低，燃速減小，工作時(shí)間變長。殼體內(nèi)徑為Φ13.5mm時(shí)點(diǎn)火時(shí)間、工作時(shí)間和總沖量均滿足指標(biāo)要求。工作壓力以50MPa計(jì)，殼體外徑為Φ16mm、內(nèi)徑為Φ13.5mm時(shí)計(jì)算得出抗剪裕度系數(shù)為2.3。

1.3.5擋藥板設(shè)計(jì)與確定

擋藥板設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)上應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，在工作期間高溫燃?xì)鉀_刷下仍能有較好的整體性，同時(shí)要有一定的通氣面積，保證氣體流通順暢[3]。上擋藥板結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計(jì)了3個(gè)通氣孔和3個(gè)1mm寬的通氣槽，上擋藥板與噴管通過收口連接固定。下?lián)跛幇迮c上擋藥板結(jié)構(gòu)類似，下?lián)跛幇迮c點(diǎn)火管通過螺紋連接。表4比較了上擋藥板不同結(jié)構(gòu)時(shí)推沖器的輸出性能。

圖3 上擋藥板結(jié)構(gòu)示意圖

表4 上擋藥板不同結(jié)構(gòu)時(shí)推沖器的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Test result of ACM with different structure of up trap

由表4中數(shù)據(jù)可得，上擋藥板采用不銹鋼材料且通氣孔徑為3mm時(shí)，既能保證工作過程中的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，又有利于氣體流通，同時(shí)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

1.3.6噴管設(shè)計(jì)與確定

噴管一般設(shè)計(jì)為先收斂后擴(kuò)張的雙喇叭形拉瓦爾噴管，該推沖器輸出能量高，要求噴管喉徑大，在保證擴(kuò)張比時(shí)噴管高度較大，會降低裝藥高度和裝藥量。為了解決裝藥量和輸出能量問題，該推沖器設(shè)計(jì)了無收斂段的多噴管結(jié)構(gòu)，即在輸出端均布3個(gè)相同的小噴管，喉徑、擴(kuò)張角及擴(kuò)張比均相同，擴(kuò)張角取25°，噴管出口直徑為5.5mm。噴管材料選用不銹鋼1Cr18Ni9，由于推沖器作用時(shí)間短，在高溫高速燃?xì)鉀_刷下喉徑無變化。表5比較了不同喉徑下推沖器的輸出性能。

表5 不同喉徑下推沖器的輸出性能

Tab.5 Test result of ACM with different throat diameter

由表5中數(shù)據(jù)可得，喉徑增加后，工作壓力降低，燃速降低，工作時(shí)間變長，同時(shí)能量-做功轉(zhuǎn)化效率降低，總沖量和比沖降低。因此，噴管喉徑設(shè)計(jì)為3mm更為合適。

1.3.7堵片的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

堵片粘貼在噴管底部，若堵片破口壓力小于推進(jìn)劑臨界點(diǎn)火壓力時(shí)，堵片破口后，主裝藥不能可靠點(diǎn)火。堵片破口壓力大于推進(jìn)劑臨界點(diǎn)火壓力時(shí)，堵片破口后主裝藥能可靠點(diǎn)火。文獻(xiàn)[4]的推沖器使用了符合WJ 2211-1994的火工品專用鋁帶，牌號為L3M，驗(yàn)證結(jié)果表明鋁帶剪切一致性好。推進(jìn)劑GATo臨界點(diǎn)火壓力為1.96MPa，表6比較了堵片采用相同材料不同厚度時(shí)推沖器的輸出性能。喉徑為3mm，堵片厚度為0.07mm、0.15mm、0.3mm時(shí)剪切強(qiáng)度依次為2MPa、4MPa、8MPa。

表6 不同堵片厚度時(shí)推沖器的輸出性能

Tab.6 Test result of ACM with different shear slice

由表6中數(shù)據(jù)可得，隨著堵片厚度的增加，剪切強(qiáng)度、破口壓力增加，點(diǎn)火更充分，點(diǎn)火時(shí)間變短。破口壓力增加后，破口時(shí)推進(jìn)劑已燃百分比提高，縮短了工作時(shí)間。3種堵片厚度下點(diǎn)火時(shí)間、工作時(shí)間和總沖量均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，因此，堵片厚度設(shè)計(jì)為0.15mm時(shí)破口壓力適中并且點(diǎn)火可靠。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

主裝藥、點(diǎn)火管、殼體、擋藥板、噴管和堵片狀態(tài)確定后，按照試驗(yàn)大綱對推沖器進(jìn)行了考核，試驗(yàn)流程為：電阻→安全電流→沖擊→錘擊→功能，試驗(yàn)數(shù)量5發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。推力——時(shí)間曲線見圖4。

表7 推沖器功能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.7 Functional test result of ACM

16發(fā)推沖器隨總體進(jìn)行了發(fā)射（過載4 000g、持續(xù)時(shí)間8ms）、飛行試驗(yàn)，結(jié)果產(chǎn)品正常作用。

3 結(jié)論

（1）通過推力試驗(yàn)確定了推沖器的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，最大不發(fā)火電流為321mA，最小全發(fā)火電流為503mA，點(diǎn)火時(shí)間為0.95～1.07ms，工作時(shí)間為7.55～7.89ms，總沖量為6.78～ 6.97N·s，計(jì)算實(shí)測比沖最高為236.8s；

（2）主裝藥采用復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑GATo，藥型設(shè)計(jì)為薄壁管狀藥，提高了裝藥能量，保證了總沖量和工作時(shí)間，噴管設(shè)計(jì)為無收斂段的3個(gè)小噴管結(jié)構(gòu)，保證了輸出穩(wěn)定性；

（3）安全電流、沖擊、錘擊、發(fā)射及飛行試驗(yàn)表明推沖器使用安全；

（4）推沖器尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出能量高，可為其它同類型的小型推沖器設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊慶,汪佩蘭,金建峰.常規(guī)彈藥彈道修正用推沖器的國內(nèi)外概況[J].含能材料,2008,16(4):45.

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

[3] 王凱民.火工品工程（下卷）[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

[4] 李志良,華琦,劉海旭,等.一種小型姿控推沖器輸出性能的試驗(yàn)研究[J].火工品,2014(4):1-4.

Design on A New High Energy Attitude Control Motor

LI Zhi-liang, YANG Zheng-cai, LIU Hai-xu, WANG Ke-wei, ZHAO Liang, QIAO Gai-xia, WU Yu-jun

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

A new type attitude control motor（ACM）was designed, and the main charge, igniter, shell, nozzle and shear slice were analyzed and verified, then the related design parameters were identified. The results showed that the measured specific impulse reached up to 236.8s with good functional consistency, and met with the technical requirement. The safety current, shock, hammer blow and flight carry test showed that the ACM can be used safely.

Attitude control motor（ACM）；Design；Specific impulse；Hammer blow

1003-1480（2016）04-0005-04

TJ450.2

A

2016-03-31

李志良（1982 -），男，工程師，主要從事火工品設(shè)計(jì)與研發(fā)。