某型固体火箭发动机点火药盒的改进设计

卢文忠，张 磊，冀海燕

(海军潜艇学院，青岛 266042)

固体火箭发动机点火药盒要在贮存期内，保持稳定的物理及化学性能，具有较好的安全性和可靠性;工作时，须在极短的时间内可靠地点燃发动机的主装药，使发动机开始稳定地工作［1］。某型固体火箭发动机点火药盒在经过三年多的贮存后，盒体的密封性能下降，盒内点火药剂中的镁粉与进入盒内的空气中的水分子发生缓慢化学反应，产生氢气，导致药盒表面局部出现鼓起变形，影响了点火药剂的正常引燃，可能会造成导弹发射失败。为了解决这一问题，需要对点火药盒进行改进设计，要求在不改变原点火药盒尺寸及接口尺寸的前提下，主要性能参数均能够覆盖原点火药盒相应值，具有较高的可靠性、安全性。

1 点火药盒的现状

1.1 技术参数

某型固体火箭发动机装药为双基药，采用材料为铝合金的点火药盒，置于头部，结构如图1 所示。点火药剂由85 g大粒黑火药和20 g 镁粉组成，因镁粉属于高能添加剂，加入镁粉可提高燃烧温度，增加点火能量。点火使用两发电爆管，点火温度为300℃。点火药盒性能参数如表1 所示。

图1 某点火药盒结构

1.2 存在的问题

由于点火药剂含有镁粉，在贮存3 年后，镁粉与进入盒内的空气中的水分子发生缓慢化学反应，产生氢气，导致药盒表面鼓起变形。这种情况使点火药盒与发动机装配困难，若强行安装将使药盒表面发生塌陷;经点火试验发现，点火压力及点火温度均较设计指标降低。这种点火药盒若继续使用，将使主发动机点火困难，直接造成导弹发射失败。

表1 点火药盒性能参数

2 改进的原则与方案

1)设计原则。研制新的点火药盒，必须是要完全达到或超过原点火药盒的相应技术性能指标，并保持点火药盒的材料、几何尺寸与对外接口尺寸不变，因此对该点火药盒的的改进设计主要工作是点火药剂选择、点火药剂药量设计、装填密度的确定。

2)设计方案。借鉴国内外点火药盒设计经验，在该点火药盒总容积、接口不变的前提下，选择物理、化学安定性能稳定的点火药剂，合理设计点火药量，保证合适的装填密度;通过点火药盒点火药量试验、发火试验、运输颠震试验、地面试车等试验，最终完成改进设计。

3 改进的方法与措施

用于点火药盒的点火药剂主要有黑火药、烟火剂、自燃点火剂等，黑火药主要用于点燃双基型固体推进剂装药［2］，烟火剂多用于点燃难以点火的复合推进剂，自燃点火剂则是高化学活性的液态化合物，主要用于自燃点火的使用环境。

目前国外点火药盒的点火药剂设计中均不再含有镁粉，大多是选用贮存期内物理、化学安定性能稳定的黑火药。这种点火药盒性能稳定，技术支持容易，实现方便，可供借鉴。

3.1 选择点火药剂

点火药剂选择应用广泛、性能稳定的黑火药，因其具有如下优点［3］:热敏度高，点火温度为300℃，易被点燃;燃烧产物中有大量的固体微粒(60%)，也有适量的气体含量(40%)，点火条件好;机械感度低，生产、运输、存放和使用有较好的安全性，长期贮存化学安定性好;技术成熟，国内外均有成功应用经验。

3.2 计算点火药量

点火药量的设计较为复杂，其与多种因素有关，如点火药的种类、装药的点火性能、装药结构和发动机结构参数等都对点火药量的大小有影响。目前，多运用气体状态方程、流量公式、经验和半经验公式等初步估算点火药量，然后结合发动机模拟点火试验和真实发动机点火试验，最终调整确定实际点火药量［4］。为使计算更加准确，采用两种方法估算。

先作如下假设:点火药全部瞬时点燃;点火药燃烧产物在主装药被完全点燃之前，未经喷管流出;燃气为理想气体。

1)方法1。用以下经验公式(1)来估算点火药量［5］:

式(1)中:Wig为点火药量(kg);Ab0为主装药初始燃烧面积;At为喷管临界截面积;DC为燃烧室内径;Δ 为发动机装填密度，Δ=WP/VC0;WP为主装药重量;VC0为燃烧室总容积;LP为燃烧室长度。将发动机各参数代入式(1)，得 Wig=0.112 kg。

2)方法2。用以下经验式(2)来估算点火药量［6］:

式(2)中:Wig为点火药量(kg);σ 为点火药燃烧产物中凝相成份的重量百分数，σ=0.6;Vc0为燃烧室初始自由容积;Pig为平均点火压力;R0为通用气体常数;¯M 为点火药燃烧产物中气体平均摩尔质量;Tig为点火药燃烧温度。将发动机及点火药盒各参数代入式(2)，得Wig=0.104 kg。

3.3 确定混装方案

由于本固体火箭发动机使用双基推进剂，故黑火药的点火药量应是在保证一定装填密度前提下，留有一定余量。另外，为使点火药盒内尽量多装黑火药，从而有较高的点火能力，还要合理选择点火药粒度［7］。一般来说粒度小燃速快，粒度大燃速慢。而粒度太小时会造成燃速过快，使主装药受热时间短，不利于点火，而粒度太大，又会造成点火延迟［8］。对于本点火药盒，采用较大粒度φ7.2 mm 的1 类和较小粒度φ2.1 mm 的4 类混装的方案。

3.4 试验验证

3.4.1 点火药量摸底试验

利用装有模拟假药柱的固体火箭发动机来进行点火药盒点火药量摸底试验。通过测试点火压力［9］、点火温度等数据，处理分析出一定时间内的压强冲量，将不同状态药盒的压强特征值、温度特征值、压强冲量、持续时间等特性参数与改进装前点火药盒的相应值进行对比分析，优化确定了点火药盒技术状态，初步确定点火药量。表2 为点火药盒不同方案试验性能参数。

经过对各状态点火药盒试验测试结果的对比分析，从压强、温度、压强冲量、压强在0.9 MPa 以上的持续时间等特征参数值，综合确定黑火药混装药方案为状态一:黑火药1 类92 g+黑火药4 类20 g，能较好地满足设计要求。

3.4.2 点火药盒运输颠震试验

试验中取3 发试生产的点火药盒，装入发动机顶盖内，进行了含三级公路不小于500 km 的运输，试验后取3 发未经过运输颠震的与3 发经过运输颠震的点火药盒分别装入有假药柱的固体火箭发动机进行发火试验，测试数据表明点火药盒点火性能的变化极小。

3.4.3 点火药盒的地面试车试验

取2 发试生产的、经过运输颠震试验的点火药盒，使用真实装药的固体火箭发动机对点火药量摸底试验结果进行验证，表3 为地面试车试验数据。

通过点火药盒地面试车试验，验证了摸底试验的结果正确，表明新设计的点火药盒点火药剂量为112 g，其中黑火药1 类92 g+黑火药4 类20 g，正确可行。

表3 地面试车试验数据

3.5 点火药量确定

通过对点火药量进行计算，并对初步确定点火药量的点火药盒经过3 个阶段的试验，确定点火药量:由于现点火药盒设计中去处掉了镁粉，全部采用黑火药，点火药量应略多于原点火药盒的105 g，以弥补因去除镁粉带来的点火能量损失。为使点火药盒内尽量多装黑火药并在点火后能较快建立点火压力，采取1 类+4 类的混装方案。确定实际点火药量为Wig=115 g，其中1 类粒度95 g，4 类粒度20 g。

4 结束语

新的点火药盒自身尺寸以及与发动机顶盖接口尺寸保持不变，从而不影响发动机其他部分，未改变点火药盒维护使用方法。选择黑火药作为点火药药剂，运用两种经验公式对点火药量估算，并经过试验验证，确定实际点火药量为Wig=115 g，并采取1 类+4 类的混装方案，其中1 类粒度95 g，4 类粒度20 g。经过模拟假药柱点火试验以及真药柱的地面试验考核，新的点火药盒的点火压强、压强冲量、压强持续时间等参数均能达到或超过原点火药盒的相应技术性能指标，点火能力有所提高。新的点火药盒经过与原点火药盒相同条件下的3 年的贮存，没有出现产生气体导致药盒变鼓的现象，具有较高的可靠性、安全性。

［1］查理.固体火箭发动机技术［J］.国防科技，2004（7）:25-28.

［2］屠晓昌.药盒式可燃点火器的设计和应用［J］.推进技术，1997（12）:72-74.

［3］王元有.固体火箭发动机设计［M］.北京:国防工业出版社，1984.

［4］屠晓昌，王建生.固体火箭发动机点火药量的计算［J］.固体火箭技术，2000（12）:4-7.

［5］樊超，张为化，王中伟.固体火箭发动机的一种点火药量估算方法［J］.航空动力学报，2009（10）: 2380-2383.

［6］李咸海，王俊杰.潜地导弹发射动力系统［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2000.

［7］杨庆玲，魏增强，李玉田.点火药粒度变化对产品性能的影响研究［J］.火工品，2005（4）: 26-29.

［8］蔡瑞娇.火工品设计原理［M］.北京:北京理工大学出版社，1999.

［9］李国新，程国元，焦清介.火工品实验与测试技术［M］.北京:北京理工大学出版社，1998.

［10］孙骑，曲家惠.固体火箭发动机点火装置的技术现状和发展趋势［J］.四川兵工学报，2011（10）:17-20.