II脈沖端燃藥柱的環(huán)形點火器方案及試驗研究①

程 翔，邢國強，黃少波，鄭子龍，肖志平，吳 剛，譚 明

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院第四研究所，洛陽 471000；2.四川華川工業(yè)有限公司，成都 610100)

0 引言

雙脈沖固體火箭發(fā)動機具有脈沖間隔時間可控、能量合理分配等特點，彌補了傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機一次點火導(dǎo)致推力可控方面的不足，極大擴展了固體火箭發(fā)動機的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，是新一代空面導(dǎo)彈動力裝置的首選。

為了進一步增加總沖和工作時間，Ⅱ脈沖藥型通常采用端燃復(fù)合藥柱，并采用環(huán)形點火設(shè)計。由于Ⅱ脈沖工作時，Ⅰ脈沖已工作完畢，軟質(zhì)隔層在低壓作用下瞬間打開，Ⅱ脈沖點火設(shè)計面臨著初始燃面小、自由容積大、無堵蓋建壓等不利情況，且點火器嚴苛的尺寸限制制約了點火藥裝填上限，同時較多點火能量因未能作用在推進劑表面降低了能量利用率。此外，環(huán)形點火的一致性也不如傳統(tǒng)的簍式、管式點火，多種因素疊加導(dǎo)致點火匹配性設(shè)計難度極大。地面試驗時，Ⅱ脈沖端燃藥柱的點火延遲時間較長，且波動范圍大，極端情況下甚至熄火，嚴重影響了導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能。當前脈沖發(fā)動機技術(shù)是國內(nèi)外研究熱點之一，但Ⅱ脈沖端燃藥柱點火技術(shù)的研究相對較少，文獻[5]對II脈沖點火工作特性進行了研究，文獻[6]對Ⅱ脈沖點火延遲現(xiàn)象展開了機理分析和試驗研究，文獻[7-8]對Ⅱ脈沖點火瞬態(tài)進行了數(shù)值仿真和分析。

基于研究現(xiàn)狀，本文提出了一種點火過程結(jié)構(gòu)保持完整的環(huán)形點火器方案，基于熱流密度理論推導(dǎo)了點火藥量經(jīng)驗計算方法，經(jīng)點火測壓試驗表明點火能量能夠長時間、低壓強的集中、均勻、連續(xù)作用在II脈沖推進劑初始燃面上，可以有效提升Ⅱ脈沖端燃藥柱點火匹配性，對工程化應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

1 點火匹配性理論

針對不同推進劑類型、藥型及初始燃面、工作溫度、堵蓋吹脫壓強和燃燒室自由容積，通過合理設(shè)計相應(yīng)點火器的內(nèi)彈道性能，使點火器輸出充足的點火能量，并集中、均勻、持續(xù)地作用在推進劑初始燃面，形成多個或大面積的穩(wěn)定著火點或區(qū)域，推進劑按照設(shè)計燃面快速、穩(wěn)定的燃燒，符合發(fā)動機工作指標，即為點火匹配性。點火匹配性決定了點火一致性、點火壓強峰、點火延遲時間、點火工作時間等指標和功能。

對于Ⅱ脈沖點火技術(shù)，點火匹配性設(shè)計的目標是使推進劑沿設(shè)計燃面穩(wěn)定燃燒、推移，同時在小燃面、大容積狀態(tài)下可靠點火，尤其是低溫環(huán)境下點火一致性較好。理論分析認為，影響端燃藥柱點火匹配性的因素如下：

(1)藥柱燃速。高燃速復(fù)合推進劑的氧化劑AP含量較高，AP含量的增加可以加速燃燒反應(yīng)，進而提高燃溫，從而有效降低點火閾值和延遲時間，在相同的點火能量下，更易于點火。

(2)藥柱初始溫度。在低溫下，同樣的點火能量傳給裝藥表面的熱量損耗增多，較難建立起必要厚度的加熱層，并延緩裝藥表面溫度升高速率，從而點火困難。

(3)藥柱初始燃面。初始燃面越復(fù)雜越易于點燃，因為形狀復(fù)雜易于產(chǎn)生紊流，而紊流的傳熱系數(shù)大于層流，裝藥易于獲得更多的點火能量。較大燃面也有利于壓強的快速爬升。

(4)燃燒室自由容積。燃燒室自由容積過大，則由于燃氣填充擴散，使得推進劑表面氣相反應(yīng)物的濃度降低，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較多損失在自由容積中，推進劑表面獲得熱量較少，造成點火延遲，甚至熄火。

(5)點火能量輸出。當點火燃氣流動方向遠離燃面，燃面上的熱流密度小和熱損失大，點火后裝藥不能立刻獲得正常燃燒所需熱量，藥柱表面層的傳熱、分解和化學(xué)反應(yīng)比較遲緩，造成了延遲。

2 方案設(shè)計

端燃藥柱總體方案如圖1所示。推進劑為中高燃速(燃速>15 mm/s)丁羥復(fù)合推進劑，Ⅱ脈沖點火器粘接嵌入藥柱環(huán)形槽內(nèi)，且與端面平齊，需承受I脈沖壓力不破壞。

圖1 端燃藥柱方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the end burning grain

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料

點火器結(jié)構(gòu)示意見圖2(為便于示意，未顯示密封膜)，蓋板與殼體之間通過均布的螺釘連接，蓋板端面與殼體內(nèi)、外環(huán)面均布噴火孔；在噴火孔、泄壓孔的外表面均粘貼0.2 mm密封膜，點火管、點火藥粘接在殼體內(nèi)。

點火器設(shè)計考慮如下：

(1)點火器設(shè)計為螺釘連接，因承壓需求不能采用賽璐珞等低強度材料，故采用高強度鋁合金(熔點660 ℃)，在I脈沖壓力下，結(jié)構(gòu)保持完好，Ⅱ脈沖工作時，可快速燒蝕熔化；

(2)殼體內(nèi)、外環(huán)面上交錯均布噴火孔，可以使較多點火能量在殼體內(nèi)聚能后噴射在初始燃面，形成多個均勻的著火點，提高點火穩(wěn)定性；

(3)蓋板均布的泄壓孔可防止點火器內(nèi)壓過大，同時該處作用力使點火器不脫離粘接面；

(4)密封膜為易燒蝕非金屬薄膜(熔點200 ℃，抗拉強度≮220 MPa)，能防止推進劑、軟質(zhì)隔層從噴火孔、泄壓孔擠入點火器內(nèi)。

對點火器承受一脈沖壓強的結(jié)構(gòu)強度進行仿真分析，設(shè)置點火器端面、外環(huán)面、內(nèi)環(huán)面經(jīng)受12 MPa壓強(圖2)，底面為固定面，材料彈性模量是72 GPa，泊松比為0.33。

圖2 點火器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the igniter structure

仿真表明，應(yīng)力集中區(qū)域位于殼體的外環(huán)面、內(nèi)環(huán)面中間，最大應(yīng)力約400 MPa(應(yīng)力云圖見圖3)，低于材料屈服強度，最大變形量約0.3 mm，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

(a) Outer ring surface

為進一步驗證強度，在圖1的模擬藥柱對點火器殼體進行12 MPa的水壓校核，試驗后檢查表明，點火器殼體完好，密封膜在噴火孔/泄壓孔處存在較小變形(見圖4)，經(jīng)受外壓的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖4 承壓試驗后密封膜Fig.4 Diaphragm seal after the pressure-bearing test

2.2 點火匹配性設(shè)計

針對小燃面、大容積情況，如點火器的點火能量輸出較快，則點火藥反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體迅速向四周擴散并帶走大量的熱量，不利于推進劑的穩(wěn)定燃燒；理想狀態(tài)應(yīng)產(chǎn)生一個長時間、低壓強的-曲線，集中、均勻、持續(xù)噴射在推進劑初始燃面，使燃氣在藥柱表面有充足的滯留時間，以增大熱交換系數(shù)，從而形成穩(wěn)定燃燒；且燃氣壓強應(yīng)較小，否則引起點火射流蝕剝作用，造成推進劑裂紋、包覆粘接界面破壞，嚴重時甚至導(dǎo)致發(fā)動機爆炸。

由于圖1點火器嵌入藥柱環(huán)形槽內(nèi)，火焰噴射方向難以集中作用在端面，因此初始燃面設(shè)計為1 mm環(huán)向縫隙處的內(nèi)、外環(huán)面推進劑，點火器工作后快速點燃初始燃面，通過推進劑的燃燒引燃端面(二次燃面)。

通過以上設(shè)計，使點火后增面燃燒，用于大容積、低溫發(fā)動機環(huán)境下維持點火初期的穩(wěn)定燃燒，杜絕發(fā)動機較長的點火延遲和熄火；同時，為了保證藥柱點火后端面均勻推移，設(shè)計初始燃面應(yīng)同時轉(zhuǎn)入端面燃燒，即-=。

此外，為確保初始燃面到二次傳火端燃燃面的快速點燃，設(shè)計上應(yīng)使初始燃面不小于二次燃面的0.2倍。據(jù)此計算：

2π(+)≥02π(-+)

計算得出≥02，并根據(jù)點火藥量所需空間進一步確定，從而確定初始燃面及點火器尺寸。

根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，如噴火孔數(shù)目少、孔徑大，則多數(shù)點火藥從噴火孔吹出，點火效果較差；當數(shù)目多、孔徑小時，可以使75%以上的點火藥柱在殼體內(nèi)燃燒，有利于產(chǎn)生多個穩(wěn)定的著火點向燃面周邊擴散，優(yōu)化點火性能。

2.3 點火藥量設(shè)計

點火器內(nèi)部具有兩發(fā)鈍感點火管及硼/硝酸鉀(BPN)點火藥，BPN反應(yīng)熱高，燃溫可達2400 K以上，在-41 ℃、0.001 Pa的條件下，不密封的BPN可以100%發(fā)火，且工作正常，適用于高空點火及自由容積大的發(fā)動機點火。

文獻[17]的研究表明，常用的點火藥量經(jīng)驗計算公式較多基于頭部點火，且點火藥量的計算主要與自由容積成正比。例如：

=

(1)

(2)

式中為點火藥量；為初始自由容積；為面喉比；為0.6～0.8；經(jīng)驗常數(shù)ɑ為50～80；為點火藥的爆熱。

本文的端燃藥柱在于I脈沖的大空腔、無堵蓋狀態(tài)下，依據(jù)式(1)、式(2)計算值遠超點火器裝填上限，工程上無法實現(xiàn)。

根據(jù)工程經(jīng)驗，點火藥劑燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣、固體微粒在中高燃速的復(fù)合推進劑上作用30～50 ms，即能夠達到推進劑的著火點，即使如低溫、低氣壓等因素影響，50～70 ms內(nèi)也可以可靠點燃。文獻[18]的研究表明，復(fù)合推進劑初溫對點火延遲時間的影響程度與點火藥燃燒產(chǎn)生的熱流密度相關(guān)，熱流密度越大，點火延遲時間隨初溫變化越緩慢；當點火藥燃燒產(chǎn)生的熱流密度達到153 W/cm以上時，在高熱流作用下，點火延遲時間基本不受初溫影響。

基于以上經(jīng)驗和機理，當藥柱初始燃面及二次燃面之和為(cm)時，設(shè)定點火能量作用時間=0.1 s，則點火藥量為

(3)

由此計算得出理論點火藥量，因部分點火能量從泄壓孔噴出，為保證可靠度藥量按1.5，根據(jù)該藥量選取不同尺寸規(guī)格的藥柱組合搭配，在增加裝填密度前提下，實現(xiàn)不小于100 ms的燃燒時間。

3 驗證試驗與分析

對該方案開展了驗證試驗，并考核了不同工藝措施的效果，以滿足設(shè)計目標，提升點火匹配性。

3.1 點火器內(nèi)壓試驗

工程實際中常因配合尺寸超差、環(huán)縫滲膠等因素影響環(huán)縫處的燃氣通暢，嚴重時甚至可能堵塞大多數(shù)噴火孔，此時點火壓力曲線極陡，對推進劑沖擊加壓，不利于安全性；同時，點火器內(nèi)部壓強過大可能導(dǎo)致殼體破裂，引起大部分點火藥在未燃盡甚至未點燃情況下散失，點火效果差。

為此，開展了點火器內(nèi)壓試驗，同時驗證不同工藝措施下的結(jié)構(gòu)完整性。采用專用的厚壁試驗器(無噴火孔、有泄壓孔)進行70 ℃高溫點火試驗，其中試驗器1測壓位置在點火管輸出處，2沿點火管輸出方向與1旋轉(zhuǎn)90°，密封膜、點火藥狀態(tài)不變，結(jié)果見表1。

表1 點火器內(nèi)壓試驗Table 1 Internal pressure test results of the igniter

試驗結(jié)果表明，當點火管背靠背安裝時，因點火管、相鄰點火藥的壓強瞬間相互疊加，該處內(nèi)壓過大導(dǎo)致點火器結(jié)構(gòu)破壞；而點火管對稱安裝時，點火藥沿點火管輸出方向順序?qū)ΨQ燃燒輸出(見圖5)，因密封膜打開內(nèi)壓逐步下降，可避免局部壓強疊加過大的情況，有利于內(nèi)壓的快速泄放，點火器結(jié)構(gòu)保持完整；點火器內(nèi)壓峰值小于2 MPa，螺釘連接強度具有裕度。

(a) 10 ms (b) 20 ms (c) 50 ms圖5 火焰?zhèn)鞑ジ咚贁z像Fig.5 High-speed photography of the flame

3.2 初始燃面作用效果試驗

為避免點火器作用燃氣過高導(dǎo)致推進劑產(chǎn)生裂紋、粘接界面破壞等非預(yù)期效果，獨創(chuàng)了初始燃面作用效果試驗方法，對比了不同工藝措施的效果。

專用測壓試驗器(見圖6，點火器、模擬藥柱粘接固定在測壓工裝上，點火器底座具有測壓孔且與工裝測壓位置對齊)用于同步測量點火器內(nèi)壓以及內(nèi)、外環(huán)縫的壓強，通過調(diào)整內(nèi)外環(huán)面噴火孔、泄壓孔的面積比例，經(jīng)試驗對比，可得出較為理想的初始燃面作用效果。

圖6 測壓試驗示意Fig.6 Schematic diagram of pressure test

本試驗將外環(huán)噴火孔、內(nèi)環(huán)噴火孔、泄壓孔的面積比固定為1∶1∶2，密封膜、點火藥狀態(tài)不變，點火管對稱安裝，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 作用壓強試驗Table 2 Results of pressure test

試驗結(jié)果表明，當密封膜采用粘接強度較大環(huán)氧膠粘接時，點火器內(nèi)部需要提升至較高壓力后方可破膜；而采用粘接強度較小的硅橡膠時，點火器內(nèi)壓較低時，即可快速破膜，該狀態(tài)下環(huán)縫壓強低于0.4 MPa，對初始燃面沖擊較小，且內(nèi)環(huán)、外環(huán)壓持續(xù)時間均大于150 ms，滿足設(shè)計目標，可確保推進劑可靠、穩(wěn)定燃燒。

此外，因內(nèi)環(huán)縫比外環(huán)縫的通氣空間小，同樣數(shù)量的噴火孔狀態(tài)下，不利于燃氣壓強的快速泄放，故內(nèi)環(huán)縫壓強相對較高。

根據(jù)以上試驗結(jié)果，確定了點火器工藝參數(shù)，隨端燃藥柱在低溫下的點火一致性也較好，顯著提升了點火匹配性，點火器方案達到了設(shè)計目標。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種環(huán)形點火器方案，點火器正常內(nèi)壓峰值低于0.7 MPa，且點火能量能夠集中、均勻、連續(xù)地作用在II脈沖推進劑初始燃面上，其峰值壓強低于0.4 MPa，持續(xù)時間超過150 ms，溫度高于2400 K；

(2)根據(jù)熱流密度理論推導(dǎo)，得出大容腔、小燃面的端燃藥柱點火藥量經(jīng)驗計算方法，可供工程設(shè)計參考、借鑒；

(3)設(shè)計了一套藥柱初始燃面測壓試驗方法，可用于對比點火器不同工藝措施的實施效果。