软隔板双脉冲发动机二级点火延迟试验分析

曹熙炜 任军学 王长辉 刘 宇

（北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191）

软隔板双脉冲发动机二级点火延迟试验分析

曹熙炜 任军学 王长辉 刘 宇

（北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191）

在进行软隔板双脉冲发动机的试验研究时发现，二级脉冲出现远远超过指标要求的点火延迟.为了改进这种状况，从点火药量和隔板厚度两方面进行试验研究.结果表明单纯增加点火药量使得隔板破裂太快，能量过早地释放;而单纯增加隔板厚度使得隔板不能按预定位置和方式破裂，影响工作性能.最终结合软隔板双脉冲发动机的工作特点，从两方面同时改进，达到了比较合理的点火延迟.

软隔板;双脉冲发动机;点火延迟;点火药量;隔板厚度

双脉冲发动机相比其它固体发动机，具有增加射程、增大末端速度和机动性等优势［1－2］.国外已经有具体的型号使用双脉冲发动机［3－6］，国内在最近几年也取得突破进展［7］.常见的双脉冲发动机多为隔板式，即在同一燃烧室内用阻燃隔热层将推进剂装药分段隔离，每段装药有独立点火系统.当段药柱燃尽时，发动机关机.根据导弹飞行速度及与目标间的距离，由自动控制系统确定下段装药点火时间，使有限质量的推进剂能按最佳飞行弹道要求通过间歇方式释放，实现固体火箭发动机的能量管理［8］.隔板式双脉冲发动机包括硬隔板和软隔板两种，在进行软隔板方案的试验研究过程中发现，一级脉冲的点火延迟约为100 ms，二级脉冲点火延迟则达到了3～4 s.为了改进这种状况，从点火药量和隔板厚度两方面进行试验研究，最终取得了比较合理的结果，为工程上的应用解决了一个比较实际的问题.

1 软隔板发动机简介

1.1 结构参数

图1是发动机的结构图，给出了试验发动机的基本结构组成，主要由双脉冲药柱、燃烧室壳体组件、喷管组件、第二脉冲片状点火器、第二脉冲点火线接头以及测压管嘴组成.第二脉冲点火线接头将点火线引出而不使燃气泄漏.

发动机壳体材料为不锈钢;喷管选用钨渗铜，可以作为可重复部件多次使用;装药采用双基推进剂，药柱采用自由装填方式;在绝热层方面，燃烧室采用玻璃钢、喷管部分采用高硅氧材料.

图1 软隔板双脉冲发动机示意图

1.2 软 隔 板

软隔板的材料为不饱和聚酯或硅橡胶，在第一脉冲工作时，隔板主要承受热载荷.在隔板设计时，主要注意以下4点:①要起到有效的热防护作用，在第一脉冲工作时防止热量过多地传递到第二级脉冲这一侧，避免使该侧温度过度上升，从而点燃二级点火药;②在第二级脉冲工作时隔板要及时合理地破裂，一是隔板破裂的范围要远远大于喷管喉部面积，二是隔板的碎片不要堵到喷管;③隔板的破裂强度小于隔板的粘接强度;④隔板的厚度和点火药量的对应关系.

1.3 第二脉冲片状点火器

第二脉冲片状点火器的结构如图2所示，主要由推进剂片1、推进剂片2、点火药包和点火线组成，2个推进剂片采用改性双基推进剂.推进剂片1、推进剂片2之间形成空腔，空腔内装有黑火药，黑火药用药包包住，并埋入发火管，将点火线从前端如图1所示的二级脉冲点火接头引出.

图2 第二脉冲片状点火器

2 试验分析

2.1 问题引出

图3是二级脉冲起动时的压强时间曲线.可见，从点火指令发出到点火药片被点燃经历了约4 s，即点火延迟约为4 s，这比工程上对点火延迟的要求值要大很多.

分析其中的原因，主要有以下几点:①隔板在点火药产生压强的作用下已经破裂，点火药产生的能量被急剧释放，只有部分能量传递到药片表面;②黑火药的热值比较低，燃烧释放的能量比较少;③小粒黑的燃面比较大，燃速很快，能量释放的时间很短.

图3 二级脉冲起动时的压强时间曲线

2.2 解决方法

为了改进点火延迟，从以下方法考虑:①增加点火药量，加大能量的释放［9］;②增加隔板厚度，延长点火药急剧释放的时间;③更换能量特性更好的点火药.鉴于试验条件的局限性，目前只采用了前面的2种方法.

2.2.1 增加点火药量（方案1）

图4为增加点火药量而不改变隔板厚度的二级脉冲压强曲线.从图中可以看出，点火延迟并没有减小，而且增大到了约20 s，这跟预想的结果差别很大.试验后分析原因，主要是增加了黑火药以后，点火压强增大，加快了隔板的破裂，使黑火药产生的能量更快地被释放.这一点和普通的点火有些差别，不能完全照搬那些办法.另外，软隔板二级脉冲点火空间很小，点火药量增加量有限，相对于一级脉冲留下的自由容积来讲，点火药的增量根本起不到应有的效果，反而会使隔板破裂更为容易，能量释放更为快捷，从而起到反作用.

图4 方案1二级脉冲点火压强曲线

2.2.2 增加隔板厚度（方案2）

在增加隔板厚度后，二级点火延迟有所改善，但隔板的破裂效果不理想.图5所示为隔板在二级点火后的破裂照片，从中可以看出，隔板在点火药压强的作用下并没有按照预定的方式破裂，而是隔板在中间出现一道裂缝，且隔板整体和假药柱脱离，这说明隔板周边的粘接强度小于隔板的破坏强度.

图5 方案2隔板破裂照片

试验结果表明，如果仅从减小点火延迟上考虑，增加隔板厚度，提高了建压压强，可起到减小点火延迟的效果;但此时破裂后的隔板会严重堵塞喷管，造成压强震荡，二级脉冲工作不可靠［10］.

2.2.3 点火药量和隔板厚度综合改进（方案3）

根据上述经验，从点火药量和隔板厚度2方面综合考虑.一方面增加点火药量，但主要增加对点火能量贡献比较大、对压强贡献比较小的聚四氟乙烯或镁粉，这2种组分燃烧产生的产物70%以上是固相;另一方面增加隔板厚度，但保证隔板的破裂强度要小于隔板和包覆层之间的粘接强度，防止隔板整体脱落.

图6为改进后的二级脉冲压强曲线图，从图中可以清楚地看出点火延迟很短，约40 ms.图7为方案3隔板破裂照片，可以看出隔板是从中间破裂，并没有整体脱落，比方案2有明显改善.

图6 方案3二级脉冲点火压强曲线

图7 方案3隔板破裂照片

3 结论

针对软隔板双脉冲发动机二级脉冲出现的点火延迟问题，提出了几种改进方案.从各自的效果可以得出:①和普通发动机不同，单纯地增加点火药量并不能起到好的效果;②单纯地增加隔板厚度可以改善点火延迟，但同时带来隔板破裂方式不合理导致堵塞喷管的问题;③增加隔板厚度，同时增加能量特性好、压强贡献小的组分对点火延迟的改进比较明显，且隔板破裂较合理.

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Zhu Guangchen，Hu Kexian，Wang Chunli，et al.A study of a dual-pulse motor technique［J］.Journal of Aerospace Power，1996，11（4）:364－368（in Chinese）

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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">网络出版时间:

时间:2012-02-21 11:47;

CNKI:11-2625/V.20120221.1147.024

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

曹熙炜（1984－），男，山东聊城人，博士生，panpancxw.student@sina.com.

（编 辑:文丽芳）