端燃藥柱藥面點(diǎn)火引燃過程試驗(yàn)①

吳 敏，王小波，何 君，王文博，占明明

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003)

0 引言

點(diǎn)火是固體火箭發(fā)動機(jī)工作的第一步，點(diǎn)火是否正常對發(fā)動機(jī)起著至關(guān)重要的作用。在火箭發(fā)動機(jī)及燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計中，自由裝填藥柱為最常見的一種藥柱結(jié)構(gòu)形式，端面燃燒則為自由裝填藥柱最簡單的燃面藥型結(jié)構(gòu)，在低燃速或不易點(diǎn)火的配方中，通常是在藥柱端面增加溝槽或矩形槽，以擴(kuò)大初始燃面，達(dá)到快速建壓的目的。根據(jù)不同產(chǎn)品的點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)快速建壓至設(shè)計平衡壓強(qiáng)，通常存在0.05～0.8 s或更長時間逐步建壓的過程。根據(jù)結(jié)果分析認(rèn)為，主因是初始燃面無法瞬間全面點(diǎn)燃引起的，當(dāng)最初的藥面著火位置點(diǎn)存在較大的散差且再經(jīng)過較長時間才引燃其余藥面時，會導(dǎo)致整個工作時間內(nèi)壓強(qiáng)曲線與預(yù)示曲線存在較大偏差，引起產(chǎn)品性能出現(xiàn)較大的波動性，甚至可能達(dá)不到預(yù)定的設(shè)計功能。

相關(guān)點(diǎn)火過程研究成果[1-3]只是開展及總結(jié)了不同的點(diǎn)火藥量、不同藥型結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火對比試驗(yàn)，以及采用數(shù)值仿真[4-5]等技術(shù)模擬點(diǎn)火過程，所得結(jié)果與結(jié)論也相差頗大。文獻(xiàn)[6]重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了裝藥結(jié)構(gòu)是影響發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程的主因，文獻(xiàn)[2]提出采用小粒徑點(diǎn)火藥、減短點(diǎn)火藥燃燒時間的方法。根據(jù)多個型號研制經(jīng)驗(yàn)判斷，文獻(xiàn)中的方法均具有很大的局限性，或只針對某一類裝藥有適用性。隨著近幾年技術(shù)水平的提高，已經(jīng)可通過采用透明窗發(fā)動機(jī)試驗(yàn)[6]或X射線成像觀測藥面[7]等方式，但在密閉容器中，也只能觀測到燃面輪廓的退移過程，由于點(diǎn)火引燃藥面的時間極短，仍無法觀測到初始藥面的點(diǎn)火引燃過程。

為克服無法觀測的問題及探索藥面的點(diǎn)火引燃-燃面擴(kuò)展過程，采用在大氣條件下對端燃藥柱進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，通過高速攝像獲得較理想的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)燃面未出現(xiàn)快速蔓延式的擴(kuò)展到整個藥面，以及通過分析討論，進(jìn)一步解釋了點(diǎn)火源數(shù)量是引起點(diǎn)火延遲差異性的主要原因[8-10]。

1 點(diǎn)火試驗(yàn)方案

點(diǎn)火試驗(yàn)方案包含試驗(yàn)條件、引燃方式與藥柱性能。點(diǎn)火前的試驗(yàn)狀態(tài)見圖1(a)，點(diǎn)火瞬間見圖1(b)，并定義為第1幀。

(a)點(diǎn)火前的試驗(yàn)狀態(tài) (b)點(diǎn)火引燃瞬間

(1)試驗(yàn)條件。將藥柱放置在大氣中點(diǎn)火，采用高清攝像機(jī)遠(yuǎn)距離對試驗(yàn)觀測錄像；試驗(yàn)裝置下方放置鋼板尺，用于比對任意時刻的火焰寬度；為便于觀測火焰擴(kuò)展到藥柱最大外徑邊沿時的狀態(tài)及后續(xù)的退移過程，切除距藥柱端面12 mm的側(cè)邊限燃層。

(2)引燃方式。本試驗(yàn)共考慮了兩種點(diǎn)火方案：1)電點(diǎn)火頭+煙火劑組成的藥包；2)采用電點(diǎn)火頭單獨(dú)點(diǎn)火。兩種方式均是粘貼在藥面中心，用于點(diǎn)火引燃。由于該試驗(yàn)為開放空間，藥包著火瞬間炸開飛離藥面形成大量煙塵不利于初始觀測效果，同時避免大量熾熱顆粒落在藥面上引起藥面多點(diǎn)著火。由于采用了極易著火引燃的配方，最終選用了單獨(dú)的點(diǎn)火頭布置在藥柱表面中心。

(3)藥柱性能。采用極易燃燒的無金屬粉HTPB/AP配方；φ153 mm端燃藥柱、藥柱凈直徑為φ147 mm；BSF75燃速r8MPa=34 mm/s；推進(jìn)劑熱分解溫度為237 ℃，在大氣中藥柱的燃?xì)饫碚摐囟燃s為1500 ℃。

2 試驗(yàn)情況分析

2.1 端面火焰擴(kuò)展情況

為對比與區(qū)分任意時刻的火焰寬度，圖2(a)表示在點(diǎn)著火且正常燃燒后的第2幀(2/25 s)為開始0點(diǎn)，后續(xù)每隔2.0 s截圖，形成0～10 s的燃燒狀態(tài)見圖2。

由圖2可看出，火焰根部寬度隨時間逐步增大，其余燃面在長時間內(nèi)未被高溫火焰的輻射提前引燃。著火后10.68 s，側(cè)邊剝離區(qū)開始穿火，側(cè)邊穿火瞬間相鄰2幀(時間差為1/25 s)的火焰見圖3。

(a)0.0 s (b)2.0 s (c)4.0 s

(d)6.0 s (e)8.0 s (f)10.0 s

(a)1 s (b)25 s

2.2 側(cè)邊火焰退移情況

以穿火瞬間(圖3)為起點(diǎn)，每隔0.5 s的火焰變化及側(cè)邊退移過程見圖4。從圖3和圖4可看到，燃面邊界幾乎同步擴(kuò)展到藥柱外徑上；從圖4可看到，側(cè)邊環(huán)形藥面隨著時間變化呈現(xiàn)出勻速退移現(xiàn)象。

2.3 火焰寬度測量分析

錄像顯示火焰為圓柱形向外逐漸擴(kuò)展，根據(jù)鋼板尺、藥柱尺寸、火焰寬度的對應(yīng)關(guān)系，在距藥面上約5 mm處測量火焰寬度，經(jīng)對前11 s的圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，換算后的火焰寬度隨時間變化見圖5。

(a)0.5 s (b)1.0 s

(c)1.5 s (d)2.0 s

圖5 火焰寬度隨時間變化趨勢

從圖5變化曲線可看出，藥柱火焰在前0～7 s為勻速向外擴(kuò)展，線性相關(guān)系數(shù)R=0.998 8；后4 s火焰寬度的擴(kuò)張斜率略為增加，有兩種影響因素：(1)是后4 s的火焰邊界較模糊，導(dǎo)致定位火焰邊界的位置不準(zhǔn)確；(2)高溫燃?xì)鈱λ幟孑^長時間的加熱，引起燃速略有增加。從0～11 s的火焰寬度變化的線性相關(guān)系數(shù)為R=0.983 7，表明藥面在燃燒過程中是均速擴(kuò)展趨勢，平均燃速約為6.35 mm/s。與靜態(tài)藥條在0.2～0.5 MPa的燃速對比，可得到推進(jìn)劑在低壓區(qū)n≈0.383，仍符合指數(shù)與燃速變化規(guī)律。藥面在長達(dá)11 s的燃?xì)夂婵鞠?，并未出現(xiàn)快速蔓延式的擴(kuò)展到整個藥面，表明藥面的引燃是從單點(diǎn)燃燒逐漸擴(kuò)散到整個藥面的過程。

3 結(jié)果與討論

3.1 火焰對藥面的熱輻射與傳導(dǎo)

根據(jù)藥柱燃燒實(shí)物，提取其中第6 s時刻火焰與藥面形成的高溫火焰邊沿與藥面的包絡(luò)區(qū)模型尺寸，建立火焰對藥面形成的輻射與經(jīng)空氣傳導(dǎo)進(jìn)行仿真分析模型。

保持模型不變，分別分析1、5 s時刻瞬態(tài)輻射與熱傳導(dǎo)的模型溫度變化與藥面溫度分布見圖6。

(a)模型溫度變化

(b)藥面溫度分布

從圖6中可看出，藥面溫度在徑向上快速下降至200 ℃以下，距火焰邊界0～3 mm的藥面溫度分布曲線中0.5 mm處溫度只有233 ℃(1 s)、408 ℃(5 s)，1 mm處只有76 ℃(1 s)、224 ℃(5 s)，表明藥面在極端的烘烤下，也只有臨近火焰邊界0.5 mm范圍內(nèi)烘烤1 s以上時，才超過推進(jìn)劑的熱分解溫度，達(dá)到5 s左右時，才會達(dá)到藥柱的臨界著火溫度550～750 K。

根據(jù)仿真分析表明，火焰的輻射與經(jīng)空氣傳導(dǎo)到局部藥面的溫度遠(yuǎn)小于推進(jìn)劑的熱分解溫度。考慮到藥面在燃燒退移，只要推進(jìn)劑的燃速大于0.5 mm/s，就不會出現(xiàn)因輻射及經(jīng)空氣導(dǎo)熱將臨近火焰邊界區(qū)域內(nèi)的藥面引燃；只有高溫?zé)崛細(xì)饬鹘?jīng)藥面時，藥面才會被加熱引燃。

有部分發(fā)動機(jī)出現(xiàn)長達(dá)數(shù)秒的點(diǎn)火延遲期內(nèi)均有火焰持續(xù)從噴管噴出而未能建壓的現(xiàn)象，該現(xiàn)象也佐證了該分析結(jié)果。將該分析結(jié)果進(jìn)一步推廣到具體產(chǎn)品中的藥型有深孔設(shè)計時，該深孔內(nèi)的燃面無法被快速引燃。

3.2 多點(diǎn)引燃藥型變化曲線

該試驗(yàn)是有意只形成了一個燃燒起點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)燃面從中心向四周的退移速度為均值。根據(jù)燃速、時間變化可得出，當(dāng)燃燒至側(cè)邊時中心會形成約73.5 mm深坑，該點(diǎn)火位置形成的深坑將嚴(yán)重影響到預(yù)定燃面的變化趨勢及預(yù)期目標(biāo)。

保持主裝藥、噴管、空腔體積等為同一設(shè)計狀態(tài)，對同一藥面建立不同點(diǎn)火源數(shù)量的分析模型，每個點(diǎn)火源用R=1 mm的半球代替，多點(diǎn)均勻分布在藥面上，燃面按照惠更斯原理逐漸擴(kuò)大，圖7模擬了在藥面上有不同數(shù)量點(diǎn)火源時的壓強(qiáng)爬升情況。

圖7 不同點(diǎn)火源的壓強(qiáng)曲線

圖7中壓強(qiáng)曲線是只考慮由點(diǎn)火源的燃面擴(kuò)大形成的壓強(qiáng)爬升曲線。從模擬曲線可看出，初始建壓爬升過程與各類真實(shí)發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果有高度的相似性。只要同時形成91個點(diǎn)火源，即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時間控制在0.1 s內(nèi)。

真實(shí)發(fā)動機(jī)中當(dāng)建立到一定壓強(qiáng)(如0.2 MPa)以及熱燃?xì)饬鲃蛹訜嵋计溆辔慈妓幟?，則表現(xiàn)為更加快速的壓強(qiáng)上升過程，真實(shí)情況下多個點(diǎn)火源可任意分布在藥面上，可達(dá)到相同的效果。從藥面多點(diǎn)點(diǎn)火仿真模擬壓強(qiáng)曲線表明，建壓曲線存在明顯差異時，可確定是藥面上的點(diǎn)火源數(shù)量不一致引起的。

3.3 堵塞的作用

本試驗(yàn)中只有一個熾熱顆粒存留在藥面中心引燃藥面，在真實(shí)發(fā)動機(jī)中，點(diǎn)火藥會形成大量的熾熱顆粒隨機(jī)噴撒在藥面上，或同時被點(diǎn)火藥的燃?xì)鈳С鰢姽?。通過對藥面引燃過程的分析與討論，可進(jìn)一步分析得到噴管堵塞的兩點(diǎn)主要功能：增加噴管耐壓堵塞可建立適當(dāng)?shù)谋茐簭?qiáng)，其主要作用只是防止熾熱顆粒順著點(diǎn)火藥形成的氣體吹出噴管而未能附著在藥柱表面上，只有大量的熾熱顆粒散落且附著在藥柱表面上時，才有可能快速穩(wěn)定地點(diǎn)火；次要作用是將高溫燃?xì)鉁粼谒幟嫔希M(jìn)行更充分的對流換熱引燃藥面。

4 結(jié)論

(1)端燃藥柱的點(diǎn)火方式、著火位置將嚴(yán)重影響到藥柱的燃面模型的變化趨勢與預(yù)期目標(biāo)。

(2)本試驗(yàn)中藥面的初始引燃過程是從著火點(diǎn)向周邊擴(kuò)散；在一定的時間內(nèi)、超出火焰邊界的某一空間范圍后，火焰的輻射與經(jīng)空氣熱傳導(dǎo)到藥面的溫度均小于推進(jìn)劑熱分解溫度，無法引燃推進(jìn)劑。在具體的產(chǎn)品設(shè)計時，需要考慮如何從點(diǎn)火設(shè)計上讓點(diǎn)火藥的高溫?zé)崛細(xì)饬鹘?jīng)藥面時，通過對流換熱實(shí)現(xiàn)藥面的快速點(diǎn)燃。

(3)增加點(diǎn)火藥中可附著在藥面上的熾熱顆粒物，且盡量均勻分散在藥面上，可改善藥柱點(diǎn)火性能，同時也可獲得與理想燃面變化趨勢較相近的預(yù)期效果。

(4)噴管堵塞的主要作用是提高熾熱顆粒附著在藥面上，可縮短著火時間與提高著火的穩(wěn)定性。

固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程是一個復(fù)雜的、瞬態(tài)的物理-化學(xué)變化過程。本文采用在大氣常壓條件下對端燃藥柱的點(diǎn)火引燃過程進(jìn)行觀測試驗(yàn)，可能與密閉高壓條件下點(diǎn)火與真實(shí)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程存在較大的差異性，本文的點(diǎn)火引燃過程試驗(yàn)結(jié)果可為固體發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火設(shè)計提供參考。