雙脈沖固體火箭發(fā)動機軟隔板破裂試驗研究

王 碩，王一白，陳 錚，曹熙煒，劉 宇

（1.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京100191；2.上海航天動力技術(shù)研究所，上海201109；3.中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076）

雙脈沖固體火箭發(fā)動機軟隔板破裂試驗研究

王 碩1，王一白1，陳 錚2，曹熙煒3，劉 宇1

（1.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京100191；2.上海航天動力技術(shù)研究所，上海201109；3.中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076）

為研究雙脈沖固體火箭發(fā)動機軟隔板破裂和應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)計了一種端面軟隔板。對隔板作預(yù)制刻痕處理，在隔板上形成多個正方形方塊?？毯鄣膶挾燃伴g距取決于發(fā)動機參數(shù)，隔板破裂時產(chǎn)生碎片不堵住噴管。進行了二脈沖點火器試驗、二脈沖點火試驗、雙脈沖發(fā)動機兩級點火試驗三個階段的隔板破裂試驗，并對雙脈沖發(fā)動機隔板的受力進行仿真分析。結(jié)果表明：設(shè)計隔板在發(fā)動機工作過程中及時合理破裂，仿真所得隔板破裂位置與試驗結(jié)果吻合。試驗隔板破裂發(fā)生在凹腔邊緣處和隔板上的圓型刻痕處，在隔板表面施加預(yù)制刻痕，隔板破裂形成的碎片基本被排出發(fā)動機，且能使隔板破裂更具有規(guī)律性。隔板破裂試驗研究對隔板設(shè)計有重要的意義。

固體火箭發(fā)動機；雙脈沖；軟隔板；隔板設(shè)計；破裂試驗；點火試驗；數(shù)值仿真；應(yīng)力分布

0 引言

雙脈沖固體火箭發(fā)動機采用獨立的兩級工作裝藥，可間隔工作，具有增加射程、增大末端速度和提高機動性等優(yōu)勢，受到了越來越多的重視［1－3］。目前雙脈沖固體火箭發(fā)動機已在多種導(dǎo)彈上得到了應(yīng)用，其中代表性的有SRAM空對地導(dǎo)彈、標(biāo)準(zhǔn)3型導(dǎo)彈、IDRA地空導(dǎo)彈［4－6］。對雙脈沖固體火箭發(fā)動機進行了全面研究。德國拜恩聯(lián)合化學(xué)推進技術(shù)中心研制了一種鋁質(zhì)隔膜試驗發(fā)動機，并成功進行了一系列點火試驗，該雙脈沖發(fā)動機在試驗彈上成功完成了飛行試驗［7－10］。加拿大國防科學(xué)研究中心CARRIER等研制了一種陶瓷隔板雙脈沖試驗發(fā)動機，并成功進行了多次點火試驗［11－12］。文獻［13］提出了一種雙脈沖固體火箭發(fā)動機鋁質(zhì)隔板的設(shè)計方法，并對鋁質(zhì)隔板進行了耐壓和破裂試驗。文獻［14］分析了雙脈沖固體火箭發(fā)動機軟隔板絕熱效果和溫度變化。文獻［15］對軟隔板雙脈沖固體火箭發(fā)動機二級點火延遲進行了試驗分析。

根據(jù)隔板工作時所受載荷的不同和隔板材料的差異，雙脈沖發(fā)動機可分為硬隔板和軟隔板兩種。雖然有關(guān)雙脈沖發(fā)動機的研究較多，但主要集中于硬隔板雙脈沖固體火箭發(fā)動機，對軟隔板雙脈沖發(fā)動機隔板設(shè)計與破裂試驗較少。隔板的結(jié)構(gòu)型式及在雙脈沖固體火箭發(fā)動機工作過程中的破裂行為，會影響雙脈沖固體火箭發(fā)動機的工作性能，因此開展軟隔板雙脈沖固體火箭發(fā)動機的隔板破裂試驗對掌握隔板設(shè)計型式和設(shè)計參數(shù)有重要的意義。本文針對端燃軟隔板試驗發(fā)動機進行了設(shè)計加工，開展了二脈沖點火器試驗、二脈沖點火試驗、雙脈沖發(fā)動機兩級點火試驗三個階段的隔板破裂試驗，通過良好的隔板設(shè)計以保證雙脈沖發(fā)動機正常工作。

1 試驗發(fā)動機及隔板設(shè)計

1.1 試驗發(fā)動機

在實際應(yīng)用中，根據(jù)雙脈沖發(fā)動機一脈沖和二脈沖不同的裝藥類型，隔板設(shè)計的型式也有多種，隔板的主要型式有端面隔板、內(nèi)孔隔板等。

雙脈沖試驗發(fā)動機采用端面隔板型式，其工作參數(shù)為：一脈沖工作壓強1MPa，工作時間30s；二脈沖工作壓強1.5MPa，工作時間10s；脈沖間隔時間10s。試驗發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)組成包括一級藥柱、二級藥柱、燃燒室殼體組件、噴管、隔板及二脈沖點火器組件、測壓管等，如圖1所示。其中：發(fā)動機殼體由不銹鋼制成；噴管喉襯材料為鎢滲銅；兩級裝藥均采用雙基推進劑，藥柱采用自由裝填方式；燃燒室絕熱層材料為玻璃鋼、噴管絕熱層材料為高硅氧。

1.2 隔板設(shè)計

雙脈沖發(fā)動機中隔板的設(shè)計應(yīng)注意：有效的熱防護作用，避免使該側(cè)溫度過度上升，從而點燃二級點火藥；在第二級脈沖工作時隔板要及時合理地破裂，一使隔板破裂的范圍遠(yuǎn)大于噴管喉部面積，二使隔板的碎片不堵到噴管；隔板的破裂強度小于隔板的粘接強度；隔板的厚度與點火藥量的對應(yīng)關(guān)系［15］。

隔板采用的材料為聚氨酯。其主要物性參數(shù)為：密度1.25g／cm3；拉伸強度60MPa；線膨脹系數(shù)1.3×10－4K；伸長率10%；泊松比0.35；拉伸模量3GPa。

隔板如圖2所示。在雙脈沖發(fā)動機試驗階段，對隔板作預(yù)制刻痕的處理，刻痕的寬度，以及刻痕間的距離根據(jù)發(fā)動機本身的設(shè)計參數(shù)選定，處理后的隔板上形成多個正方形的小塊。為使設(shè)計的隔板在二脈沖工作時破裂產(chǎn)生的碎片不堵住噴管，試驗噴管的喉部直徑16mm，理論上若隔板能均勻破裂，則隔板上相鄰兩條預(yù)制刻痕間的距離應(yīng)小于11.3mm。刻痕的設(shè)計寬度2mm，相鄰刻痕間距離10mm，刻痕深度1mm。隔板上加工了一個半徑62.5mm、寬度2mm、深度1mm的圓形刻痕，以保證隔板破裂時不影響絕熱層結(jié)構(gòu)。

2 試驗過程與結(jié)果分析

試驗過程分三個階段進行：二脈沖點火器試驗；二脈沖點火試驗；雙脈沖發(fā)動機兩級點火試驗。

2.1 二脈沖點火器試驗

為探究隔板破裂行為，試驗初期設(shè)計了二脈沖點火器試驗。試驗時二脈沖藥柱采用假藥柱，為便于與隔板及包覆層的粘接，二脈沖假藥柱使用聚氨酯材料。

在隔板中心加工圓形凹腔（直徑75mm），隔板表面無刻痕，將二脈沖點火器安裝在隔板凹腔內(nèi)并固定。點火器采用的是片狀點火器（外徑75mm），點火器的導(dǎo)線由片狀點火藥中間引出，點火器與隔板二級藥柱等相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由測得的壓力時間曲線可知：在隔板與假藥柱形成的腔內(nèi)，質(zhì)量3g的點火藥可形成壓強5.5MPa，但實際試驗測得的第一個壓強峰僅為0.3MPa，這表明此時隔板可能已破裂（但基本形狀還保持完好），黑火藥形成的燃?xì)庖褟母舭迮c假藥柱形成的腔內(nèi)流出（否則，壓強傳感器測不到壓強）［15］。另外，從試驗錄像可發(fā)現(xiàn)：點火后噴管出口冒出一陣煙，此后過了數(shù)秒，片狀點火器工作，隔板迅速地被從薄弱位置（直徑75mm的圓）剪切并形成碎片噴出喉部。這與試驗測得壓強曲線過程一致。

試驗結(jié)果表明：在片狀點火器形成的燃?xì)庾饔孟?，隔板完全按預(yù)定的位置破裂并形成碎片，試驗中碎片未對噴管造成堵塞。

2.2 二脈沖點火試驗

為進一步研究在實際工作中隔板的破裂行為，以及隔板型式對雙脈沖固體火箭發(fā)動機工作的影響，設(shè)計了二脈沖點火試驗。

試驗時對隔板進行了改進：增大了隔板的凹腔體積，隔板的有效厚度不變；為保證隔板不被第一脈沖壓力壓破，在隔板與點火器的空腔中加入航空海綿，片狀點火器直徑不變；同時為考察隔板在實際工作過程中的破裂情況，二脈沖點火試驗時二脈沖藥柱為真實藥柱。

隔板與點火器組件、二脈沖裝藥與包覆層的連接如圖4所示。

由燃燒室的壓力時間曲線可知：二脈沖藥柱被成功點燃；增大隔板凹腔可顯著減小二脈沖點火器點火時的初始壓力峰［15］。試驗后隔板破裂情況如圖5所示。由圖5可知：隔板從凹腔最邊緣（直徑125mm）處破裂，碎片大部分都排出，留下少量部分散落在燃燒室，其中有4～5塊尺寸較大，說明隔板破裂不太規(guī)律。

2.3 雙脈沖發(fā)動機兩級點火試驗

為研究隔板的結(jié)構(gòu)型式及其在一、二級工作過程中的破裂行為，對雙脈沖發(fā)動機工作的影響，設(shè)計了雙脈沖發(fā)動機兩級點火試驗。

為研究不同隔板結(jié)構(gòu)型式對雙脈沖發(fā)動機工作的影響，在雙脈沖發(fā)動機兩級點火試驗時僅對隔板組件進行了改進：將隔板中間的凹腔改為刻痕，刻痕在面向二脈沖藥柱的一側(cè)，隔板厚度不變，刻痕深度1mm。其余隔板組件與二脈沖藥柱等結(jié)構(gòu)的連接如圖6所示。

不同時間的壓強如圖7所示。由圖7可知：兩級藥柱均正常工作，點火間隔約10s，滿足給定的雙脈沖發(fā)動機設(shè)計要求。

試驗后隔板破裂如圖8所示。由圖8可知：隔板從最邊緣的刻痕處（直徑125mm）處破裂，燃燒室內(nèi)基本無隔板碎片。試驗結(jié)果表明：隔板完全按預(yù)定的位置破裂，試驗中二脈沖藥柱工作時壓強曲線平穩(wěn)，隔板碎片未對噴管造成堵塞。

對比加工凹腔的軟隔板，預(yù)制刻痕的軟隔板破裂時更具規(guī)律性。

第三階段試驗中二脈沖點火器工作時隔板及二脈沖藥柱仿真的應(yīng)力如圖9所示。計算模型為二維軸對稱模型；隔板內(nèi)側(cè)施加1.25MPa壓力載荷，包覆層的下部施加y向的約束，包覆層右側(cè)施加x向的約束。

由圖9可知：隔板中間空腔位置的應(yīng)力較小，越接近往隔板邊緣處，隔板上的應(yīng)力越大；應(yīng)力最大位置在最邊緣的刻痕處（直徑125mm）處，達到了41MPa，這與試驗結(jié)果中的隔板破裂發(fā)生在隔板最邊緣刻痕處吻合。

3 結(jié)論

本文對端面軟隔板雙脈沖發(fā)動機的隔板破裂試驗進行了研究，結(jié)果表明：本文通過在隔板表面進行預(yù)制刻痕或加工凹腔處理，可使二脈沖藥柱工作時隔板及時合理破裂，雙脈沖發(fā)動機正常工作；隔板破裂的位置發(fā)生在凹腔邊緣處和隔板上的圓型刻痕處；在隔板表面加工刻痕處理可使隔板破裂更具規(guī)律性。由本文軟隔板的破裂試驗研究可知：在隔板表面加工刻痕可作為實際應(yīng)用時雙脈沖固體火箭發(fā)動機的軟隔板設(shè)計方法，但對隔板碎片在發(fā)動機內(nèi)的運動軌跡無法得出確切結(jié)論。因此，在進一步研究雙脈沖固體火箭發(fā)動機軟隔板的破裂規(guī)律時，需對發(fā)動機工作過程進行內(nèi)視研究，以觀察隔板破裂和碎片運動的真實情況。本文通過對試驗結(jié)果分析認(rèn)為：采用良好的隔板設(shè)計，可保證雙脈沖發(fā)動機正常工作，在隔板表面加工刻痕能使隔板破裂更具規(guī)律性。

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Fracture Test of Soft－Clapboard in Dual－Pulse Solid Rocket Motor

WANG Shuo1，WANG Yi－bai1，CHEN Zheng2，CAO Xi－wei3，LIU Yu1
（1.School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute，Shanghai 201109，China；3.Research of Development Center，China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

In order to study the fracture progress and distribution of stress of dual－pulse solid rocket motor，a sort of soft－clapboard was designed.The nicks were made on the clapboard and many quadrants were formed.The width and distance of nicks were determined by motor parameters to make sure that the nozzle would not be plugged by fragments while the clapboard was breaking.The second pulse igniter test，the second pulse performance test and the dual pulse performance test were conducted.At the same time the distribution of stress of the soft－clapboard was simulated.The result showed that the designed soft－clapboard fractured in proper way in time and the soft－clapboard fractured was identical to the result of test.The soft－clapboard fractured in the edge of cavity and the round nick of soft－clapboard.In the case that there were nicks on the soft－clapboard，almost all of the fragments from the fractured clapboard were ejected and the clapboard would burst more regularly.Clapboard fracture test has important meaning for designing clapboard.

solid rocket motor；dual－pulse；soft－clapboard；clapboard design；fracturing test；ignition test；Numerical simulation；stress distribution

V435

A

10.19328／j.cnki.1006－1630.2017.01.019

1006－1630（2017）01－0116－05

2016－09－08；

2016－10－16

王 碩（1993—），男，碩士生，主要研究方向為雙脈沖固體火箭發(fā)動機。