軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)點(diǎn)火延遲試驗(yàn)分析

曹熙煒 任軍學(xué) 王長(zhǎng)輝 劉 宇

（北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191）

軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)點(diǎn)火延遲試驗(yàn)分析

曹熙煒 任軍學(xué) 王長(zhǎng)輝 劉 宇

（北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191）

在進(jìn)行軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，二級(jí)脈沖出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過指標(biāo)要求的點(diǎn)火延遲.為了改進(jìn)這種狀況，從點(diǎn)火藥量和隔板厚度兩方面進(jìn)行試驗(yàn)研究.結(jié)果表明單純?cè)黾狱c(diǎn)火藥量使得隔板破裂太快，能量過早地釋放;而單純?cè)黾痈舭搴穸仁沟酶舭宀荒馨搭A(yù)定位置和方式破裂，影響工作性能.最終結(jié)合軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，從兩方面同時(shí)改進(jìn)，達(dá)到了比較合理的點(diǎn)火延遲.

軟隔板;雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī);點(diǎn)火延遲;點(diǎn)火藥量;隔板厚度

雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)相比其它固體發(fā)動(dòng)機(jī)，具有增加射程、增大末端速度和機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)［1－2］.國(guó)外已經(jīng)有具體的型號(hào)使用雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)［3－6］，國(guó)內(nèi)在最近幾年也取得突破進(jìn)展［7］.常見的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)多為隔板式，即在同一燃燒室內(nèi)用阻燃隔熱層將推進(jìn)劑裝藥分段隔離，每段裝藥有獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng).當(dāng)段藥柱燃盡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī).根據(jù)導(dǎo)彈飛行速度及與目標(biāo)間的距離，由自動(dòng)控制系統(tǒng)確定下段裝藥點(diǎn)火時(shí)間，使有限質(zhì)量的推進(jìn)劑能按最佳飛行彈道要求通過間歇方式釋放，實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的能量管理［8］.隔板式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)包括硬隔板和軟隔板兩種，在進(jìn)行軟隔板方案的試驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)，一級(jí)脈沖的點(diǎn)火延遲約為100 ms，二級(jí)脈沖點(diǎn)火延遲則達(dá)到了3～4 s.為了改進(jìn)這種狀況，從點(diǎn)火藥量和隔板厚度兩方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終取得了比較合理的結(jié)果，為工程上的應(yīng)用解決了一個(gè)比較實(shí)際的問題.

1 軟隔板發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1是發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，給出了試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)組成，主要由雙脈沖藥柱、燃燒室殼體組件、噴管組件、第二脈沖片狀點(diǎn)火器、第二脈沖點(diǎn)火線接頭以及測(cè)壓管嘴組成.第二脈沖點(diǎn)火線接頭將點(diǎn)火線引出而不使燃?xì)庑孤?

發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料為不銹鋼;噴管選用鎢滲銅，可以作為可重復(fù)部件多次使用;裝藥采用雙基推進(jìn)劑，藥柱采用自由裝填方式;在絕熱層方面，燃燒室采用玻璃鋼、噴管部分采用高硅氧材料.

圖1 軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

1.2 軟 隔 板

軟隔板的材料為不飽和聚酯或硅橡膠，在第一脈沖工作時(shí)，隔板主要承受熱載荷.在隔板設(shè)計(jì)時(shí)，主要注意以下4點(diǎn):①要起到有效的熱防護(hù)作用，在第一脈沖工作時(shí)防止熱量過多地傳遞到第二級(jí)脈沖這一側(cè)，避免使該側(cè)溫度過度上升，從而點(diǎn)燃二級(jí)點(diǎn)火藥;②在第二級(jí)脈沖工作時(shí)隔板要及時(shí)合理地破裂，一是隔板破裂的范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴管喉部面積，二是隔板的碎片不要堵到噴管;③隔板的破裂強(qiáng)度小于隔板的粘接強(qiáng)度;④隔板的厚度和點(diǎn)火藥量的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

1.3 第二脈沖片狀點(diǎn)火器

第二脈沖片狀點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由推進(jìn)劑片1、推進(jìn)劑片2、點(diǎn)火藥包和點(diǎn)火線組成，2個(gè)推進(jìn)劑片采用改性雙基推進(jìn)劑.推進(jìn)劑片1、推進(jìn)劑片2之間形成空腔，空腔內(nèi)裝有黑火藥，黑火藥用藥包包住，并埋入發(fā)火管，將點(diǎn)火線從前端如圖1所示的二級(jí)脈沖點(diǎn)火接頭引出.

圖2 第二脈沖片狀點(diǎn)火器

2 試驗(yàn)分析

2.1 問題引出

圖3是二級(jí)脈沖起動(dòng)時(shí)的壓強(qiáng)時(shí)間曲線.可見，從點(diǎn)火指令發(fā)出到點(diǎn)火藥片被點(diǎn)燃經(jīng)歷了約4 s，即點(diǎn)火延遲約為4 s，這比工程上對(duì)點(diǎn)火延遲的要求值要大很多.

分析其中的原因，主要有以下幾點(diǎn):①隔板在點(diǎn)火藥產(chǎn)生壓強(qiáng)的作用下已經(jīng)破裂，點(diǎn)火藥產(chǎn)生的能量被急劇釋放，只有部分能量傳遞到藥片表面;②黑火藥的熱值比較低，燃燒釋放的能量比較少;③小粒黑的燃面比較大，燃速很快，能量釋放的時(shí)間很短.

圖3 二級(jí)脈沖起動(dòng)時(shí)的壓強(qiáng)時(shí)間曲線

2.2 解決方法

為了改進(jìn)點(diǎn)火延遲，從以下方法考慮:①增加點(diǎn)火藥量，加大能量的釋放［9］;②增加隔板厚度，延長(zhǎng)點(diǎn)火藥急劇釋放的時(shí)間;③更換能量特性更好的點(diǎn)火藥.鑒于試驗(yàn)條件的局限性，目前只采用了前面的2種方法.

2.2.1 增加點(diǎn)火藥量（方案1）

圖4為增加點(diǎn)火藥量而不改變隔板厚度的二級(jí)脈沖壓強(qiáng)曲線.從圖中可以看出，點(diǎn)火延遲并沒有減小，而且增大到了約20 s，這跟預(yù)想的結(jié)果差別很大.試驗(yàn)后分析原因，主要是增加了黑火藥以后，點(diǎn)火壓強(qiáng)增大，加快了隔板的破裂，使黑火藥產(chǎn)生的能量更快地被釋放.這一點(diǎn)和普通的點(diǎn)火有些差別，不能完全照搬那些辦法.另外，軟隔板二級(jí)脈沖點(diǎn)火空間很小，點(diǎn)火藥量增加量有限，相對(duì)于一級(jí)脈沖留下的自由容積來講，點(diǎn)火藥的增量根本起不到應(yīng)有的效果，反而會(huì)使隔板破裂更為容易，能量釋放更為快捷，從而起到反作用.

圖4 方案1二級(jí)脈沖點(diǎn)火壓強(qiáng)曲線

2.2.2 增加隔板厚度（方案2）

在增加隔板厚度后，二級(jí)點(diǎn)火延遲有所改善，但隔板的破裂效果不理想.圖5所示為隔板在二級(jí)點(diǎn)火后的破裂照片，從中可以看出，隔板在點(diǎn)火藥壓強(qiáng)的作用下并沒有按照預(yù)定的方式破裂，而是隔板在中間出現(xiàn)一道裂縫，且隔板整體和假藥柱脫離，這說明隔板周邊的粘接強(qiáng)度小于隔板的破壞強(qiáng)度.

圖5 方案2隔板破裂照片

試驗(yàn)結(jié)果表明，如果僅從減小點(diǎn)火延遲上考慮，增加隔板厚度，提高了建壓壓強(qiáng)，可起到減小點(diǎn)火延遲的效果;但此時(shí)破裂后的隔板會(huì)嚴(yán)重堵塞噴管，造成壓強(qiáng)震蕩，二級(jí)脈沖工作不可靠［10］.

2.2.3 點(diǎn)火藥量和隔板厚度綜合改進(jìn)（方案3）

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)，從點(diǎn)火藥量和隔板厚度2方面綜合考慮.一方面增加點(diǎn)火藥量，但主要增加對(duì)點(diǎn)火能量貢獻(xiàn)比較大、對(duì)壓強(qiáng)貢獻(xiàn)比較小的聚四氟乙烯或鎂粉，這2種組分燃燒產(chǎn)生的產(chǎn)物70%以上是固相;另一方面增加隔板厚度，但保證隔板的破裂強(qiáng)度要小于隔板和包覆層之間的粘接強(qiáng)度，防止隔板整體脫落.

圖6為改進(jìn)后的二級(jí)脈沖壓強(qiáng)曲線圖，從圖中可以清楚地看出點(diǎn)火延遲很短，約40 ms.圖7為方案3隔板破裂照片，可以看出隔板是從中間破裂，并沒有整體脫落，比方案2有明顯改善.

圖6 方案3二級(jí)脈沖點(diǎn)火壓強(qiáng)曲線

圖7 方案3隔板破裂照片

3 結(jié)論

針對(duì)軟隔板雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)脈沖出現(xiàn)的點(diǎn)火延遲問題，提出了幾種改進(jìn)方案.從各自的效果可以得出:①和普通發(fā)動(dòng)機(jī)不同，單純地增加點(diǎn)火藥量并不能起到好的效果;②單純地增加隔板厚度可以改善點(diǎn)火延遲，但同時(shí)帶來隔板破裂方式不合理導(dǎo)致堵塞噴管的問題;③增加隔板厚度，同時(shí)增加能量特性好、壓強(qiáng)貢獻(xiàn)小的組分對(duì)點(diǎn)火延遲的改進(jìn)比較明顯，且隔板破裂較合理.

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Testing of ignition delay of second pulse of soft-clapboard dual-pulse motor

Cao XiweiRen Junxue Wang Changhui Liu Yu
（School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

When doing the experiment of soft-clapboard dual-pulse motor，the delay time of the second pulse ignition was found exceeding the requirement.In order to improve the status，the experiments in terms of the quantity of ignition powder and the thickness of the soft-clapboard were carried out.The results show that increasing the ignition powder will promote the rupture of the clapboard and the release of the energy，and increasing clapboard thickness will not rupture the clapboard hopefully，and decrease the performance of motor.At last，according to the characteristic of the soft-clapboard dual-pulse motor，improving from the above two terms，the motor ignition can attain a good condition.

soft-clapboard;dual-pulse motor;ignition delay time;mass of ignitionpowder;clapboard thickness

V 435.23

A

1001-5965（2012）02-0244-03

2010-11-03;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)間:2012-02-21 11:47;

CNKI:11-2625/V.20120221.1147.024

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120221.1147.024.html

曹熙煒（1984－），男，山東聊城人，博士生，panpancxw.student@sina.com.

（編 輯:文麗芳）