某發動機工作時間偏短的原因分析

楊三斌

(海裝重慶局，重慶 400071)

某產品采用SFM—1 配方的推進劑，產品交驗進行12 發地面靜止發動機試驗。在技術要求中，發動機工作時間(以下簡稱工作時間)要求為(0.20 ～0.34)s。在該產品批量生產前，進行的小樣摸底試驗中工作時間為0.28 s，在指標要求的中限。但在2008年2月在進行該產品靜止發動機驗收試驗時，出現工作時間偏短的現象。3 發發動機的工作時間分別為0.18 s、0.20 s、0.19 s，其中有兩發低于技術要求的最短時間0.2 s。為了驗測試系統是否存在差異，從本批藥柱中隨機抽取了7 根藥柱配套，在使用方靶場進行相關發動機試驗，工作時間為0.19 s，與驗收試驗的結果相近，不滿足技術指標要求。2008年3月進行的該產品又一批藥柱交付時，第一發工作時間為0.20 s，為要求技術指標的下限，從而終止試驗。通過對造成兩批藥柱工作時間偏短的故障原因的分析、討論，確定了造成故障的原因為藥柱偏離了發動機設計的工作狀態。

1 故障定位

根據三次發動機試驗的結果，分別從發動機的加工和發動機裝配的狀態，點火系統和火藥裝藥三方面進行了分析。

1.1 發動機加工及裝配

發動機的各個零部件的加工為機械加工零件，其尺寸范圍都通過嚴格的檢測，足以保證加工精度，而且在三次試驗中所使用的發動機為兩個批次，發動機的裝配均為具有操作合格證的人員裝配，裝配過程中未發現異常，裝配后的氣密性檢查合格。而且三次裝配都由不同的操作人員進行，排除了因人員裝配引起的偶然差異。裝配的發動機均經過8 h 以上的恒溫。所以說發動機的狀態不會是造成工作時間偏短的主要原因。

1.2 點火系統的影響

幾次試驗中使用的電爆管和點火藥盒，在其它火箭系統能夠正常使用。為了排出因黑火藥水分變化，引起點火壓力峰的異常，專門對抽取了一發進行破壞性檢驗，結果水分含量為0.8%，在正常的指標要求范圍內。應該說點火系統工作正常。

1.3 火藥裝藥的影響

發動機工作時間的長短，除了受點火壓力的影響外，主要取決于火藥裝藥的燃燒時間。作為一種火藥配方，為了滿足不同武器系統的戰術使用要求，其燃速都有一定的調節范圍，從這點上說就會對發動機的工作時間有所影響。另外在雙基藥中起骨架作用的硝化棉為一種高分子材料，其纖維的長短、聚合度的大小、分子量的分布范圍、硝化中硝基取代的均勻性都會對火藥的燃燒性能有所影響。

本藥柱使用的SFM—1 火藥配方雖然組分較少，但在制造加工過程中要求較高。其中催化劑氧化鎂因燒結過程的差異，不同批次的催化能力差異較大，在吸收藥制造過程中還需要對其進行憎水化處理，確保在藥料吸收過程中不與水生成氫氧化鎂失去催化作用。火藥在加工成型的過程中，對藥料內部的密實性和均勻性有一定的影響，也會在火藥的燃速上有所體現。

綜上所述，藥柱加工過程、原材料及加工工藝均會對藥柱的最終燃速造成影響，基本可以判斷藥柱偏離了發動機的設計參數，是造成工作時間偏短的直接原因。

2 原因分析

2.1 數據對比分析

根據技術指標工作時間的要求為(0.2 ～0.34)s，其中限值為0.27 s，計算發動機內的燃速大約為12 mm/s，根據雙芳鎂—1 配方的火藥在發動機內燃速的經驗公式r =計算，其平均工作壓力在14 MPa 左右。表1 為某產品的歷史處理數據。表2 為摸底樣和2008年兩批交驗產品的數據。

表1 某產品歷史數據處理

表2 彈道測試結果數據處理

從表1、表2 中的數據可以看出，工作時間合格的樣品，經驗公式的計算值與實際發動機內的燃速接近，最大差值僅為0.39 mm/s。工作時間偏短的樣品，經驗公式的計算燃速則和發動機內實際的工作燃速存在較大的差異，從表2 中反映最小為1.67 mm/s，最大為2.67 mm/s，說明藥柱的燃燒性能發生了比較明顯的偏移。這一方面驗證了2.3 條的判斷，另一方面表明兩批工作時間偏短的藥柱在制造過程中出現了異常狀況，為此對藥柱的制造過程進行了分析。

2.2 藥柱制造過程分析

首先分析了原材料方面的原因。第一批產品和摸底樣采用的是完全相同的原材料。從原材料上看不會存在差異，為了排除原材料的影響在制作第二批時更換了硝化棉和燃燒催化劑的批次。但從測試結果看兩批產品卻出現了同樣的問題，由此說明了造成兩批產品與摸底樣差異的原因不是原材料的問題。

為此又從吸收、成型制造工藝上查找原因，摸底樣吸收藥的制造在50kg 級吸收器內進行小批量吸收，兩批產品則是在500 kg 級的生產線吸收，但吸收的所有工藝操作條件都一致。吸收后的藥料在同一條生產線上，用同樣的成型加工工藝制造藥柱，從藥柱實際的制造過程上分析，可以排除吸收工藝條件和成型過程對藥柱造成的影響。造成摸底樣與兩批產品樣品差異的原因在于吸收藥的制造在不同的生產線上進行。既然操作的工藝和程序完全相同，是否會是放大后造成的差異呢?但從該系列產品歷史的生產情況以及其它產品的情況表明，在50 kg 和500 kg 級生產線吸收出的藥料成型的藥柱，具有良好的對應性和符合性，不會因為放大批量而造成性能上的較大差異。

既然如此，造成這種差異的直接原因就可能在于兩條生產線實際生產過程控制中存在的某種差異造成藥柱的性能差異。為此對用于生產兩批產品和摸底樣的吸收藥制造過程中進行了分析。

用于制造兩批產品的吸收藥為1/08 批、2/08 批和3/08批吸收藥，在500 kg 級吸收器生產，用于摸底樣生產的吸收藥則是在50 kg 級吸收器生產。吸收藥配料、分析情況見表3。

表3 吸收藥配方、分析情況

從表3 中可以看出，摸底樣的配方和分析結果基本一致。幾個500 kg 級吸收器生產的吸收藥，其它成分配料和分析結果差距不大，其誤差在分析誤差可接受的范圍內。而用于乳化液配制的DNT 配料和分析結果相比較下降比較明顯，最少為0.7%，最大為1.2%，通過對配制乳化液容器的檢查，發現容器底部有裂紋，導致部分的DNT 泄漏到熱水浴，使得含量降低;同樣作為乳化液配制時使用的DBP 的損失卻不大，原因為DBP 的密度為1.04 g/cm3，而DNT 的密度為1.23 g/cm3，前者較后者輕，浮在乳化液的上層，所以基本上沒有什么損失。DNT 降低的幅度大小不同，主要是由于乳化液配制時的時間長短不一所致。

2.3 機理分析

為了進一步說明問題，先簡單介紹一下乳化液配制過程。乳化液配制時先將DBP 和DNT 兩種油相物質在熱水浴中升溫至90℃以上，然后再加入ZnR(硬脂酸鋅)充分攪拌均勻，再緩慢加入水化氧化鎂，在劇烈攪拌過程中與硬脂酸鋅一起形成乳化液，整個過程中嚴禁有水進入。

乳化液的配制過程，實際上就是對氧化鎂進行憎水化處理的過程。表面活性劑硬脂酸鋅與氧化鎂表面的氫氧化鎂反應生成硬脂酸鎂，在顆粒表面形成一層單分子薄膜，膜的內側是親水的酸性基團，膜的外側是親油的硬脂酸鏈基團［2］。所以進行乳化處理后的氧化鎂有兩個特點其一是表現出了親油性和疏水性，避免了乳化液加入水中與藥料進行吸收的過程中與介質水反應，保證了氧化鎂的含量。其二乳化液的比重較小，相應的減小了氧化鎂顆粒的比重，減小了氧化鎂在水介質中的分層的可能性，有利于更加均勻的分散到藥料內部。

如果上述配制乳化液的過程中有水存在的情況下，由于水與硬脂酸鋅中的親水基團的作用，使得部分氧化鎂表面不能有效的形成硬脂酸鋅的保護膜，或者形成的保護膜結構不穩定，容易破乳。水的存在還會產生另一個不利因素，因為水與氧化鎂乳化液的濕潤性完全不同，相遇后形成的界面處的表面張力增大，所以會產生絮凝以減小系統的表面能，會導致氧化鎂結塊，不易分散。所以當此種乳化液加入以水為介質的吸收系統中，由于一部分氧化鎂表面的保護膜的穩定性較差，破乳后與水發生反應生成氫氧化鎂，減少了氧化鎂在藥料中的實際含量，從而削弱了對藥料燃速的調節作用;一部分因絮凝作用結塊的氧化鎂在吸收時會造成催化劑在藥料的分布不均勻。由于氧化鎂作為雙芳鎂火藥配方中唯一的燃速調節劑，它能提高火藥在低壓下的燃速，抑制火藥中、高壓下的燃速，所以其有效含量的減少和分布不均勻直接影響到藥料的燃燒性能。

通過以上的分析，我們認為導致兩批產品和摸底樣差異的根本原因在于配制氧化鎂乳化液的容器底部的裂紋所導致，在配制時在熱水浴加熱保溫過程中有部分水進入了容器，影響了氧化鎂乳化液的穩定性，部分氧化鎂與水反應生成氫氧化鎂，降低了氧化鎂的有效含量，從而影響了對藥料的催化作用;同時由于絮凝作用導致氧化鎂在藥料中分布不均勻。使得火藥燃燒性能產生較大的變化，削弱了中、高壓下對燃速的抑制作用，使得藥料的燃速增高，直接導致發動機的工作時間偏短。

3 試驗驗證

根據上述原因和機理分析，對配制氧化鎂乳化液容器的底部裂紋進行了修復。隨后進行了新一批產品的生產，通過交驗試驗表明，發動機的工作時間在(0.28 ～0.30)s 之間，產品的性能完全滿足指標要求。

4 結論

1)氧化鎂乳化液的配制過程中水的進入，會嚴重影響氧化鎂的催化活性，削弱中、高壓下對燃速的抑制作用;

2)配制氧化鎂乳化液的容器底部有裂紋，導致在乳化液配制過程中有水進入，造成藥料燃速較高，是某產品發動機工作時間偏短的主要原因。

［1］火炸藥手冊［S］.204 研究所，1982.

［2］張續柱. 雙基火藥［M］. 北京:北京理工大學出版社，1997.