李 建，羅思璇，吳飛春，沈鐵華

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固體軌控發(fā)動機(jī)用環(huán)形點(diǎn)火器優(yōu)化設(shè)計

李 建，羅思璇，吳飛春，沈鐵華

（上海航天動力技術(shù)研究所，上海，201109）

針對某型固體軌控發(fā)動機(jī)發(fā)生點(diǎn)火延遲時間超差的問題，分析了原因，對環(huán)形點(diǎn)火器采取了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和點(diǎn)火藥調(diào)整等改進(jìn)措施，并進(jìn)行了單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)、地面試車以及飛行試驗(yàn)的考核。結(jié)果表明：改進(jìn)措施有效，環(huán)形點(diǎn)火器能量輸出更加穩(wěn)定，點(diǎn)火延遲時間超差問題得以解決。

環(huán)形點(diǎn)火器；軌控發(fā)動機(jī)；點(diǎn)火延遲；優(yōu)化設(shè)計

目前軌控發(fā)動機(jī)技術(shù)已被應(yīng)用到第四代導(dǎo)彈技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在高空空氣密度低的條件下快速變軌的功能，增大導(dǎo)彈的機(jī)動作戰(zhàn)能力，提高命中目標(biāo)的機(jī)率[1]。在某軌控發(fā)動機(jī)的設(shè)計中，為有效點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)雙環(huán)形結(jié)構(gòu)的主裝藥，通常使用圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火器。由于軌控發(fā)動機(jī)工作時間短（不大于1s）且響應(yīng)迅速，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火對點(diǎn)火器的輸出能量、延遲時間以及燃燒后殘骸提出了高要求[2]。

本文針對軌控發(fā)動機(jī)隨導(dǎo)彈在某次大過載飛行試驗(yàn)中出現(xiàn)點(diǎn)火延遲時間超差的現(xiàn)象，分析了發(fā)動機(jī)工作出現(xiàn)故障的原因，提出點(diǎn)火器的優(yōu)化措施，并在單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)、地面試車以及飛行試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

1 點(diǎn)火延遲時間超差問題分析

為了滿足軌控發(fā)動機(jī)快速正常點(diǎn)火且無殘骸飛出的要求，點(diǎn)火器設(shè)計采用高燃速的顆粒藥（黑火藥和鎂-聚四氟乙烯的混合藥）和短時完全燒熔的賽璐璐殼體結(jié)構(gòu)[3]，兩只電爆管在環(huán)形點(diǎn)火器內(nèi)部呈180°對稱分布。該結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火器已通過單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)、地面試車和普通彈道的飛行試驗(yàn)考核，但大過載的嚴(yán)酷彈道條件在地面試驗(yàn)中無法考核，存在天地一致性差異的問題。環(huán)形點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，電爆管在彈體坐標(biāo)系中的位置如圖2所示。

圖1 環(huán)形點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電爆管在彈體坐標(biāo)系中的位置

大過載條件對環(huán)形點(diǎn)火器會帶來如下影響：環(huán)形點(diǎn)火器固定在軌控發(fā)動機(jī)的內(nèi)筒體上，跟隨導(dǎo)彈進(jìn)行大過載動作。環(huán)形點(diǎn)火器的點(diǎn)火藥為自由狀態(tài)的顆粒藥，目前的工藝技術(shù)不能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形點(diǎn)火器內(nèi)容積由顆粒藥100%填滿，顆粒藥會在離心力作用下發(fā)生相對過載方向相反的運(yùn)動趨勢。點(diǎn)火藥粒會向Y1方向的負(fù)向即彈體下側(cè)運(yùn)動，導(dǎo)致電爆管1位置處因缺藥形成局部空腔，電爆管1發(fā)火時，因空腔的存在，發(fā)火能量不能迅速點(diǎn)燃周圍點(diǎn)火藥粒，僅下方點(diǎn)火藥粒被點(diǎn)燃，使主裝藥點(diǎn)火延遲時間過長，軌控發(fā)動機(jī)延遲工作。

2 優(yōu)化措施

為確保點(diǎn)火器在大過載工況下能夠穩(wěn)定輸出點(diǎn)火能量，從結(jié)構(gòu)和釋放能量穩(wěn)定性方面對原狀態(tài)環(huán)形點(diǎn)火器的殼體和點(diǎn)火藥進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 點(diǎn)火器殼體

優(yōu)化后的環(huán)形點(diǎn)火器殼體采用耐燒蝕的不銹鋼管材材料，點(diǎn)火藥可以完全約束在點(diǎn)火器殼體內(nèi)，確保點(diǎn)火器工作時無點(diǎn)火藥散落，能量釋放穩(wěn)定，同時，可確保在軌控發(fā)動機(jī)工作時間內(nèi)點(diǎn)火器無殘骸飛出。不銹鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)火器殼體為整體冷彎成型，為三排噴氣口的簍式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火藥穩(wěn)定的釋放能量，從而可靠點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)主裝藥。

2.2 點(diǎn)火藥

將顆粒狀點(diǎn)火粒優(yōu)化成具有一定耐壓強(qiáng)度和點(diǎn)火一致性較好的藥柱型點(diǎn)火藥劑。優(yōu)化設(shè)計后的硼/硝酸鉀成型藥柱（BPN）具備一定的抗壓強(qiáng)度（最小軸向抗壓強(qiáng)度150N，最小徑向抗壓強(qiáng)度50N）[4]，在裝入點(diǎn)火器殼體內(nèi)不易出現(xiàn)晃動和位移情況，施加點(diǎn)火能量后可按一定規(guī)律定向燃燒，保證點(diǎn)火器在離心大過載條件穩(wěn)定輸出能量，并能從根本上解決“空腔問題”，從而有效改善點(diǎn)火延遲時間。根據(jù)環(huán)形點(diǎn)火器環(huán)形裝藥空間、BPN藥柱的制作工藝以及在環(huán)形空腔內(nèi)的燃燒特點(diǎn)，確定BPN藥柱為有內(nèi)孔結(jié)構(gòu)且一端為喇叭口形狀的藥柱結(jié)構(gòu)。

環(huán)形點(diǎn)火器的點(diǎn)火藥量通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算，估算藥量約為34.5g，通過點(diǎn)火器單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)和發(fā)動機(jī)地面試車試驗(yàn)來調(diào)整點(diǎn)火藥量，使其點(diǎn)火性能符合要求，既在低溫下點(diǎn)火可靠，點(diǎn)火延遲時間滿足要求；高溫下點(diǎn)火壓強(qiáng)峰不超過發(fā)動機(jī)最大工作壓強(qiáng)。環(huán)形點(diǎn)火器的主裝藥由擴(kuò)燃藥包及其兩側(cè)各16片、自由裝填在點(diǎn)火器內(nèi)腔中的點(diǎn)火藥柱組成，整個藥柱內(nèi)外燃面和端面同時燃燒，實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)主裝藥，避免了點(diǎn)火延遲[5]。圖3為優(yōu)化后環(huán)形點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 優(yōu)化后環(huán)形點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)

優(yōu)化后的環(huán)形點(diǎn)火器經(jīng)歷機(jī)械序貫環(huán)境試驗(yàn)后，在與發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相似的模擬容器中進(jìn)行了高溫、常溫、低溫6發(fā)單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)[6]，與優(yōu)化前的環(huán)形點(diǎn)火器的相應(yīng)值進(jìn)行對比。表1為環(huán)形點(diǎn)火器優(yōu)化前后技術(shù)狀態(tài)下的單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)性能參數(shù)。

表1 環(huán)形點(diǎn)火器單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)性能參數(shù)

Tab.1 Single ignition test performance before and after optimization for annular ignitor

通過表1數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前最大壓強(qiáng)為0.94~ 1.71MPa，最大壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.251MPa；最大壓強(qiáng)對應(yīng)時間為29.6~65.1ms，時間標(biāo)準(zhǔn)差為11.93ms；優(yōu)化后最大壓強(qiáng)為1.48~2.07MPa，最大壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.231MPa；最大壓強(qiáng)對應(yīng)時間為28.4~48.4ms，時間標(biāo)準(zhǔn)差為6.99ms。通過數(shù)據(jù)分析可知，優(yōu)化后最大壓強(qiáng)和最大壓強(qiáng)對應(yīng)的時間數(shù)值離散性小于優(yōu)化前，優(yōu)化后環(huán)形點(diǎn)火器發(fā)火性能質(zhì)量一致性優(yōu)于優(yōu)化前。

單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)后點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)完整，無明顯燒蝕。優(yōu)化后點(diǎn)火器單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)性能優(yōu)于優(yōu)化前，能更好滿足設(shè)計要求，因此，可以初步確定34.5g硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥和不銹鋼殼體結(jié)構(gòu)的環(huán)形點(diǎn)火器。

3.2 地面試車

優(yōu)化后環(huán)形點(diǎn)火器配套用于軌控發(fā)動機(jī)進(jìn)行了地面試車試驗(yàn)，并與優(yōu)化前的環(huán)形點(diǎn)火器進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 地面試車數(shù)據(jù)

Tab.2 The ground test results

通過表2數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前壓強(qiáng)差為2.237~ 3.302MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.482MPa；點(diǎn)火延遲時間為19.0~45.1ms，標(biāo)準(zhǔn)差為12.19 ms；優(yōu)化后壓強(qiáng)差為1.938~2.380MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.185MPa；發(fā)動機(jī)點(diǎn)火延遲時間為22.6~42.7ms，標(biāo)準(zhǔn)差為8.99ms。分析可知優(yōu)化后壓強(qiáng)差和點(diǎn)火延遲時間數(shù)值離散性均小于優(yōu)化前，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火初期的性能指標(biāo)得到優(yōu)化。地面試車試驗(yàn)后點(diǎn)火器殘骸噴口處結(jié)構(gòu)燒熔，從燒熔處的球形金屬燒熔物判斷，發(fā)動機(jī)工作過程中無殼體殘骸飛出；試驗(yàn)后簍式殼體主體結(jié)構(gòu)完整，仍可靠地固定在軌控發(fā)動機(jī)內(nèi)筒體上。通過地面試車數(shù)據(jù)確定34.5g硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥和不銹鋼殼體結(jié)構(gòu)的環(huán)形點(diǎn)火器，以滿足軌控發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火設(shè)計要求。

3.3 飛行試驗(yàn)

對安裝優(yōu)化后環(huán)形點(diǎn)火器的軌控發(fā)動機(jī)隨導(dǎo)彈進(jìn)行了1發(fā)大過載的飛行試驗(yàn)，大過載后在彈動111.83s彈上給出軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火指令，在彈動118.855s軌控發(fā)動機(jī)開始工作，軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火延遲時間25ms，延遲時間正常。

4 結(jié)語

對環(huán)形點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火藥和點(diǎn)火器殼體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，通過單項(xiàng)點(diǎn)火試驗(yàn)、地面試車以及大過載飛行試驗(yàn)考核，確定了優(yōu)化后環(huán)形點(diǎn)火器狀態(tài)為：不銹鋼材料簍式殼體結(jié)構(gòu)和34.5gBPN主裝藥。優(yōu)化后環(huán)形點(diǎn)火器可以更好地滿足軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火要求，并有效解決了發(fā)動機(jī)在大過載飛行條件下點(diǎn)火延遲時間超差的問題。

[1] 賈世偉，等.攔截彈軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時機(jī)與分配策略研究[J].計算機(jī)仿真,2009(3):99-102.

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The Optimum Design on Annular Igniter of Solid Divert Motor

LI Jian，LUO Si-xuan，WU Fei-chun，SHEN Tie-hua

(Shanghai Institute of Space Propulsion Technology , Shanghai，201109)

Aimed at the problem that ignition delay time out of tolerance during a flight test of solid divert motor , the reasons were analyzed, and the improving methods such as structural optimization for annular igniter and ignition powder adjustment were proposed, as well as the single ignition test, ground tests and flight tests were carried out. The results show that improving methods are effective, output power of annular igniter is more stable and the problem of ignition delay time out of tolerance is solved.

Annular igniter；Solid divert motor；Ignition delay；Optimum design

1003-1480（2017）05-0001-03

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.001

2017-07-04

李建（1985 -），男，工程師，主要從事固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計研究。