李志良，楊正才，劉海旭，王科偉，趙 亮，喬改霞，吳玉均

?

一種新型姿控推沖器的設計和研究

李志良，楊正才，劉海旭，王科偉，趙 亮，喬改霞，吳玉均

（北方特種能源集團西安慶華公司，陜西西安，710025）

為了設計一種高輸出能量的姿控推沖器，從主裝藥、點火管、殼體、噴管和堵片等方面進行了分析和試驗，確定了相關設計參數。試驗結果表明推沖器作用一致性好，實測比沖最高達236.8s，滿足技術指標要求；安全電流、沖擊、錘擊及飛行搭載試驗表明該推沖器使用安全。

姿控推沖器；設計；比沖；錘擊

姿控推沖器主要用于高速動能導彈、火箭彈以及末敏彈等靈巧彈藥的彈道修正和飛行控制，姿控推沖器控制技術具有快速響應、結構和控制邏輯相對簡單、成本低廉、能夠全天候工作等顯著優(yōu)點，在常規(guī)彈藥的簡易制導化領域具有廣泛的應用前景[1]。本研究設計了一種新型的姿控推沖器，采用復合改性雙基推進劑和多噴管輸出脈沖推力，具有結構新穎、實測比沖高、作用一致性好的特點。

1 產品設計

1.1 設計要求

（1）電阻：0.8～1.4Ω；（2）工作電流：在5～6A直流電流、持續(xù)時間5ms下可靠發(fā)火；（3）安全電流：（200±5）mA直流電流、持續(xù)5min下不應發(fā)火；（4）點火時間：從通電到推力曲線上升至峰值推力10％的時間間隔為（1±0.4）ms；（5）工作時間：從推力上升段峰值推力10％的推力點到推力下降段峰值推力10％的推力點之間的時間間隔為（7.5±0.5）ms；（6）總沖量：工作時間內推力——時間曲線下的面積為（6.7±0.5）N·s；（7）沖擊：±X，50g，11ms，半正弦波1次；（8）錘擊：側向11齒、1次。

1.2 結構

該推沖器屬于直噴式發(fā)動機結構，示意圖見圖1，點火管示意圖見圖2。點火管接到發(fā)火指令后，橋路首先作用，引燃點火藥，再引燃輸出裝藥，輸出裝藥的燃燒產物通過下擋藥板的傳火通道進入殼體內的裝藥自由空腔，點燃主裝藥；主裝藥燃燒產生高溫高壓氣體，燃氣壓力達到堵片的剪切強度時，堵片破口，燃氣通過噴管流動排出，產生脈沖推力。

圖1 推沖器結構示意圖

圖2 點火管結構示意圖

1.3 主要組成部分的設計與確定

1.3.1主裝藥設計與確定

主裝藥設計需兼顧加工性能以及能量、燃速和弧厚等參數。雙基推進劑理論比沖約為200～220s，10MPa下燃速為10mm/s左右，改性雙基推進劑理論比沖約為230～270s，10MPa下燃速為25～35mm/s。推沖器外形尺寸為Φ17mm×42mm，但是總沖量要求高、工作時間短，采用以上兩種推進劑時裝藥量大、弧厚小、加工性能差，需采用更高能量和燃速的推進劑。復合改性雙基推進劑綜合了雙基推進劑和復合推進劑的優(yōu)點[2]，復合改性雙基推進劑GATo理論比沖約為270s，10MPa下的燃速約為61mm/s。實測比沖以230s計時裝藥量約為3g，藥型設計為管狀藥，方便自由裝填，并具有近似衡面燃燒特性，計算得出弧厚約為0.46mm。

1.3.2橋路和點火藥設計與確定

根據電性能要求，橋路采用直徑為Φ0.040mm的鎳鉻電阻合金絲6J20（R），采用錫焊，電阻內控在0.9～1.3Ω之間，涂覆的點火藥為摻有1號硝基漆的斯蒂芬酸鉛，在5A直流電流下發(fā)火時間為0.4～0.5ms。由感度升降法計算得出，最大不發(fā)火電流為321mA，最小全發(fā)火電流為503mA，與指標相比均有一定裕度。表1比較了不同點火藥藥量下推沖器的輸出性能。

表1 不同點火藥量下推沖器的試驗結果

Tab.1 Test result of ACM with different ignition powder mass

由表1可見，點火藥藥量為4mg時點火藥燃燒不充分，點火能量不足，點火不充分，點火時間較長。藥量為15mg時點火猛度大，造成電極塞底部涂膠脫落、漏煙。點火藥藥量為8～12mg時點火時間、工作時間和總沖量均有一定裕度，并且不影響產品結構強度。

1.3.3點火管輸出裝藥設計

點燃復合改性雙基推進劑所需的溫度和壓力介于雙基推進劑和復合推進劑之間，為兼顧推沖器可靠點燃和點火時間要求，首選硼-硝酸鉀點火藥。硼-硝酸鉀點火藥感度高、低壓下易引燃、點火峰值壓力大、燃燒時間較短。表2比較了硼-硝酸鉀不同藥量時推沖器的輸出性能。

表2 不同點火管輸出裝藥藥量下推沖器的試驗結果

Tab.2 Test result of ACM with different mass of output charge of igniter

由表2可見，隨著輸出裝藥量的增加，點火能量提高，推進劑點火充分，發(fā)動機工作時間變短。點火藥量為40～60mg時ACM點火時間、工作時間和總沖量均滿足指標要求。點火藥藥量為70mg時，點火猛度大，有可能破壞藥環(huán)，使燃面增加、工作時間變短。因此，點火藥量為50mg時點火能量有一定裕度并且點火猛度適中。

1.3.4殼體設計

殼體為薄壁結構，為了提高結構強度，殼體材料選用了耐熱鋼棒1Cr11Ni2W2MoV，其高溫強度、持久強度和蠕變極限都很高，同時具有良好的沖擊韌性。與30CrMnSiA材料相比后期不用進行電鍍等防腐處理，可降低成本。殼體與噴管采用M14×1-6h的螺紋連接，工作壓力以50MPa計，計算得出螺紋抗剪裕度系數為8。殼體內徑影響自由容腔、燃通比和工作壓力，表3比較了內徑為Φ13mm、Φ13.5mm、Φ14.5mm時推沖器的輸出性能。

表3 不同殼體內徑時推沖器的試驗結果

Tab.3 Test result of ACM with different inside diameter of shell

由表3可見，隨著殼體內徑的增加，裝藥自由容腔變大，在相同的點火能量下點火壓力降低，點火時間變長，同時工作壓力降低，燃速減小，工作時間變長。殼體內徑為Φ13.5mm時點火時間、工作時間和總沖量均滿足指標要求。工作壓力以50MPa計，殼體外徑為Φ16mm、內徑為Φ13.5mm時計算得出抗剪裕度系數為2.3。

1.3.5擋藥板設計與確定

擋藥板設計時結構上應有足夠的強度和剛度，在工作期間高溫燃氣沖刷下仍能有較好的整體性，同時要有一定的通氣面積，保證氣體流通順暢[3]。上擋藥板結構如圖3所示，設計了3個通氣孔和3個1mm寬的通氣槽，上擋藥板與噴管通過收口連接固定。下擋藥板與上擋藥板結構類似，下擋藥板與點火管通過螺紋連接。表4比較了上擋藥板不同結構時推沖器的輸出性能。

圖3 上擋藥板結構示意圖

表4 上擋藥板不同結構時推沖器的試驗結果

Tab.4 Test result of ACM with different structure of up trap

由表4中數據可得，上擋藥板采用不銹鋼材料且通氣孔徑為3mm時，既能保證工作過程中的強度和結構完整性，又有利于氣體流通，同時滿足技術指標要求。

1.3.6噴管設計與確定

噴管一般設計為先收斂后擴張的雙喇叭形拉瓦爾噴管，該推沖器輸出能量高，要求噴管喉徑大，在保證擴張比時噴管高度較大，會降低裝藥高度和裝藥量。為了解決裝藥量和輸出能量問題，該推沖器設計了無收斂段的多噴管結構，即在輸出端均布3個相同的小噴管，喉徑、擴張角及擴張比均相同，擴張角取25°，噴管出口直徑為5.5mm。噴管材料選用不銹鋼1Cr18Ni9，由于推沖器作用時間短，在高溫高速燃氣沖刷下喉徑無變化。表5比較了不同喉徑下推沖器的輸出性能。

表5 不同喉徑下推沖器的輸出性能

Tab.5 Test result of ACM with different throat diameter

由表5中數據可得，喉徑增加后，工作壓力降低，燃速降低，工作時間變長，同時能量-做功轉化效率降低，總沖量和比沖降低。因此，噴管喉徑設計為3mm更為合適。

1.3.7堵片的設計和試驗

堵片粘貼在噴管底部，若堵片破口壓力小于推進劑臨界點火壓力時，堵片破口后，主裝藥不能可靠點火。堵片破口壓力大于推進劑臨界點火壓力時，堵片破口后主裝藥能可靠點火。文獻[4]的推沖器使用了符合WJ 2211-1994的火工品專用鋁帶，牌號為L3M，驗證結果表明鋁帶剪切一致性好。推進劑GATo臨界點火壓力為1.96MPa，表6比較了堵片采用相同材料不同厚度時推沖器的輸出性能。喉徑為3mm，堵片厚度為0.07mm、0.15mm、0.3mm時剪切強度依次為2MPa、4MPa、8MPa。

表6 不同堵片厚度時推沖器的輸出性能

Tab.6 Test result of ACM with different shear slice

由表6中數據可得，隨著堵片厚度的增加，剪切強度、破口壓力增加，點火更充分，點火時間變短。破口壓力增加后，破口時推進劑已燃百分比提高，縮短了工作時間。3種堵片厚度下點火時間、工作時間和總沖量均滿足技術指標要求，因此，堵片厚度設計為0.15mm時破口壓力適中并且點火可靠。

2 試驗驗證

主裝藥、點火管、殼體、擋藥板、噴管和堵片狀態(tài)確定后，按照試驗大綱對推沖器進行了考核，試驗流程為：電阻→安全電流→沖擊→錘擊→功能，試驗數量5發(fā)，試驗結果見表7。推力——時間曲線見圖4。

表7 推沖器功能試驗結果

Tab.7 Functional test result of ACM

16發(fā)推沖器隨總體進行了發(fā)射（過載4 000g、持續(xù)時間8ms）、飛行試驗，結果產品正常作用。

3 結論

（1）通過推力試驗確定了推沖器的相關設計參數，最大不發(fā)火電流為321mA，最小全發(fā)火電流為503mA，點火時間為0.95～1.07ms，工作時間為7.55～7.89ms，總沖量為6.78～ 6.97N·s，計算實測比沖最高為236.8s；

（2）主裝藥采用復合改性雙基推進劑GATo，藥型設計為薄壁管狀藥，提高了裝藥能量，保證了總沖量和工作時間，噴管設計為無收斂段的3個小噴管結構，保證了輸出穩(wěn)定性；

（3）安全電流、沖擊、錘擊、發(fā)射及飛行試驗表明推沖器使用安全；

（4）推沖器尺寸小、結構緊湊、輸出能量高，可為其它同類型的小型推沖器設計提供參考。

參考文獻：

[1] 楊慶,汪佩蘭,金建峰.常規(guī)彈藥彈道修正用推沖器的國內外概況[J].含能材料,2008,16(4):45.

[2] 張續(xù)柱.雙基火藥[M].北京:北京理工大學出版社,1997.

[3] 王凱民.火工品工程（下卷）[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

[4] 李志良,華琦,劉海旭,等.一種小型姿控推沖器輸出性能的試驗研究[J].火工品,2014(4):1-4.

Design on A New High Energy Attitude Control Motor

LI Zhi-liang, YANG Zheng-cai, LIU Hai-xu, WANG Ke-wei, ZHAO Liang, QIAO Gai-xia, WU Yu-jun

(North Special Energy Group Co.Ltd., Xi’an, 710025)

A new type attitude control motor（ACM）was designed, and the main charge, igniter, shell, nozzle and shear slice were analyzed and verified, then the related design parameters were identified. The results showed that the measured specific impulse reached up to 236.8s with good functional consistency, and met with the technical requirement. The safety current, shock, hammer blow and flight carry test showed that the ACM can be used safely.

Attitude control motor（ACM）；Design；Specific impulse；Hammer blow

1003-1480（2016）04-0005-04

TJ450.2

A

2016-03-31

李志良（1982 -），男，工程師，主要從事火工品設計與研發(fā)。