射流点火具的设计与研究

刘君阁，甄家强，齐忠良，白丽君

（辽宁北方华丰特种化工有限公司，辽宁 抚顺，113003）

点火具通常是用于火箭发动机的点火[1]。火箭发动机的点火有两种方式：一种是前置点火，一种是后置点火。无论哪种点火方式，对点火具点火能力都有一定的要求：过小将造成点火延迟，甚至熄火；过大会造成发动机工作压力曲线波动，影响落点精度[2]。目前，国内火箭弹发动机多数使用药盒式点火具进行点火。国外有火箭弹发动机采用射流点火，这种射流点火技术有利于提高火箭弹落点精度和发动机总体技术水平。

笔者通过对射流点火具的设计与研究，提出了射流点火具具有平稳较低的点火压力、稳定较高的点火温度、稳定较长的点火射流等技术特点。研究的射流点火具与火箭发动机前置射流点火和后置射流点火的匹配试验表明：射流点火具能可靠点燃火箭发动机，射流点火具的工作曲线与火箭发动机的工作曲线拟合光滑、平稳，发动机工作稳定。本文对此射流点火具进行了性能测试，并与药盒式电点火具进行了对比，为火箭发动机的前置射流点火、后置射流点火，以及提高火箭弹落点精度和火箭发动机总体技术水平奠定了一定的技术基础。

1 设计总要求

根据火箭发动机的工作原理和射流点火具的功能特点，提出以下设计总要求。

1.1 功能

射流点火具适用于火箭发动机的前置射流点火和后置射流点火。

1.2 通用设计要求

点火具为电发火，其电阻、安全电流、发火电流、绝缘电阻、静电、震动等应符合火箭弹总体设计要求，并符合GJB 1885 点火具通用规范要求。

1.3 特征参数及要求

点火压强：在密闭容器 50ms时点火压强应为0.2～0.8MPa（火箭发动机不同，要求不同）；火焰长度：在火箭发动机装药内腔或规定测压容器内应达到2 000mm；火焰持续时间：不小于100ms（暂定）；可靠性及要求：点火具应点火可靠，喷射的燃气火焰对发动机装药损伤小。

2 工作原理、特点与总体设计

2.1 工作原理及特点

射流点火具结构如图1所示。主要由发火部件、点火装药和底座等组成，外部结构为螺纹连接。

图1 射流点火具结构示意图Fig.1 Structure schematic of jet ignitor

工作原理：射流点火具经电能作用后发火部件作用，其产生的火焰将点火装药迅速点燃，此时在点火具内部自由容腔内产生较大压强。发火部件装药和点火装药燃烧后产生的高温燃气在点火具内部压强作用下经喷喉射出，形成较长的高温燃气射流。这种高温燃气射流在火箭发动机内形成较低的点火压强，可靠点燃发动机装药，使发动机工作。

功能特点：射流点火具输出较长的高温燃气射流，在火箭发动机内形成较低的点火压强；射流点火具的工作曲线与发动机的工作曲线拟合光滑、平稳，发动机工作曲线稳定、波动小。

结构特点：射流点火具属于压力容器。

2.2 总体设计

根据总体设计要求及工作原理，射流点火具应按压力容器和火工品设计规范进行设计。

2.2.1 结构设计及强度计算

为使点火具能够产生2 000mm长度的射流，总体结构应设计成压力容器，强度要大。图1中强度薄弱部位在螺纹连接处，螺纹为 M45×1.5mm，有效螺纹长度11mm，上盖部件、底座材料为45号钢。根据螺纹强度公式[3]：

式（1）中： [τ]为许用剪切应力，kgf / mm2；τ为剪切应力，kgf/ mm2；Fw为最大轴向外载荷，kgf；Kz为载荷不均系数，0.56；π为圆周率；d1为螺纹小径，43.376mm；b为螺纹牙根部宽度(0.87T)，1.305 mm；Z为螺纹数，7；T为螺距，1.5mm。

式（2）中：σs为屈服应力，36 kgf/mm2；nz为安全系数，2.5。[τ]=36 / 2.5=14.4 kgf/mm2

由螺纹强度公式（1），有：

即螺纹连接部位最大轴向外载荷为10 033kgf。由此，点火具最大承受压强为：

式（3）中：S=14.76 cm2，为上盖螺纹小径面积。

计算结果表明，点火具设计最大承受压强为69.2MPa。为使点火具能够产生2 000mm的高温燃气射流，其内腔应有足够的压强。参照火箭发动机工作压强，点火具内腔最高使用压强设计小于10MPa。

2.2.2 发火部件设计

为提高作用可靠性，发火部件由2个点火药头、赛璐珞药盒和药剂等组成。药剂选用XX点火药，药量为1.5g。

2.2.3 静电安全性

采用成熟技术，以可靠保证点火具静电安全。

2.2.4 点火装药

对于点火装药，通常选用火焰感度好、综合点火能力好的黑火药，也可选用可燃剂和氧化剂配制的高能点火药，以实现放热量大、固体生成物多、有利于点燃发火点高的火箭发动机装药。如：锆粉-四氧化三铅，镁粉-酚醛树脂-硝酸钡，镁粉-聚四氟乙烯等点火药[2]。根据射流点火具的功能特点，选用了同发火部件相同的XX点火药作为点火装药。

3 主要性能试验

3.1 射流点火具内腔P——t试验

主要装配条件：电阻1.2Ω；发火部件装药 1.5g；装药直径40mm；试验条件：发火电流3A。试验数据见表1，P——t曲线见图2，表1中时间原点为图2压力开始上升所对应的时间点。

图2 点火具内腔P——t曲线Fig.2 P——t curve in igniter

表1 点火具内腔P——t试验结果Tab.1 Test results of P——t curve in igniter

表1数据表明：（1）发火部件作用后第14ms点火具内腔产生最高压强7.6MPa，第20ms到90ms压强从3.6MPa上升到5.7MPa，之后压强开始下降，第219ms时压强下降为0；（2）点火具内部有持续较高的压强，为较长、高温燃气射流的形成提供了可靠、有利的动力；（3）总体结构合理，强度设计安全可靠。

3.2 射流点火具输出P——t试验

为进一步试验射流点火具的输出特性，对不同装药直径的点火具进行了P——t试验。

3.2.1 测压器容积V1、不同直径点火装药的P——t试验

主要装配条件：电阻1.0～1.2Ω；发火部件装药1.5g；装药直径31mm。试验条件：测压器容积V1cm3，发火电流3A。试验数据见表2。

表2 装药直径31 mm P——t试验结果 (MPa)Tab.2 P vs t test results of charge with 31mm diameter

主要装配条件：电阻 1.0～1.2Ω；发火部件装药1.5g；装药直径21mm。试验条件：测压器容积V1cm3，发火电流3A。试验数据见表3。

表3 装药直径21 mm的P——t试验结果 (MPa)Tab.3 P vs t test results of charge with 21mm diameter

表2～3试验数据表明：（1）在定容条件下，装药直径大，则输出压力增大。装药直径21mm的点火具在50ms时输出压力为0.22MPa，而装药直径31mm的点火具压力为0.56MPa；（2）从通电到最大压强的最短时间为80ms。

3.2.2 测压器容积V2、点火装药直径40mmP——t试验

主要装配条件：电阻0.63～0.66Ω；发火部件装药1.5g；装药直径40mm。试验条件：测压器容积V2cm3（V2＞V1），发火电流 2A。试验数据见表 4，P——t曲线见图3，表4中时间原点为图3压力开始上升对应的时间点。试验数据及曲线表明：该点火具 50ms时压强为0.73MPa，83ms时达到最大压强0.89MPa。

3.3 射流点火具火焰持续时间测试

为测量射流点火具火焰持续时间，使用APX-RS高速摄影仪进行了测试。点火具主要装配条件：电阻1.0～1.2Ω；发火部件装药 1.5g，装药直径 40mm、21mm。试验条件：发火电流3A。试验结果见表5。

图3 装药直径40mm P——t曲线Fig.3 P——t curve of charge with 40mm diameter

表4 装药直径40mm的P——t试验结果 (MPa)Tab.4 P vs t test results of charge with 40mm diameter

表5 点火具火焰持续时间测试结果Tab.5 Test results of the flame duration of ignitor

表5数据表明：装药直径40mm和21mm射流点火具火焰持续时间分别为 182～228ms和 151～201ms，火焰持续时间均大于100ms。

3.4 点火具火焰长度测试

3.4.1 自然条件下点火具火焰长度测试

点火具主要装配条件：电阻 1.0～1.2Ω；发火部件装药 1.5g；装药直径40mm。试验条件：发火电流3A，图4为试验结果。

图4 火焰长度试验Fig.4 The test of flame length

图4中，射流点火具固定左侧的铁架上，火焰射流由左向右，黑白相间的管为外径 140mm、内径130mm、长2 300mm的塑料管。结果显示：点火具作用后火焰长度达 2 400mm，火焰直径从开始的约100mm增加到长度为2 000mm时的约700mm。

3.4.2 塑料管内点火具火焰长度测试

点火具主要装配条件：电阻 1.0～1.2Ω；发火部件装药 1.5g；装药直径40mm。试验方法：将点火具固定在虎钳上，用外径140mm、内径130mm、长2 300mm塑料管作为标尺测量火焰长度，发火电流3A。试验结果：点火具作用后，火焰经内径130mm、长2 300mm塑料管后长度达到约2 800mm。

3.4.3 测压容器内点火具火焰长度测试

点火具主要装配条件：电阻 1.0～1.2Ω；发火部件装药 1.5g；装药直径31mm、21mm。试验方法：将产品装配在规定测压容器内、另一端口不密封，发火电流3A。试验数量各3发。试验结果：点火具作用后，火焰长度分别为3 400～3 600mm和2 800～3 000mm。综合结果表明：射流点火具作用后火焰长度，即燃气射流长度在规定测压容器内均能达到 2 800mm，满足设计要求。

3.5 震动、静电、高温、低温等试验

对3种直径装药的点火具分别进行了震动、静电、高温、低温等试验，试验后性能满足要求。

4 射流点火具与药盒式电点火具输出特性、功能对比

表6是某火箭发动机药盒式电点火具P——t试验结果，图5是该电点火具P——t曲线，表6中时间原点为图5压力开始上升所对应的时间点。点火具主装药为黑火药，测压容器内测压。由表2、3、4、6数据和图3、5曲线得知：（1）药盒式电点火具约30ms时达到最大压强4MPa左右，之后压强下降；（2）射流点火具80ms内压强逐渐上升；（3）药盒式点火具点燃发动机装药压强较高为4MPa左右，射流点火具点燃发动机装药压强较低，50ms时为0.2～0.7MPa。

表6 某药盒式电点火具P——t试验结果 （MPa）Tab.6 P vs t test result of traditional ignitor

图5 某药盒式电点火具P——t曲线Fig.5 The P——t curve of traditional electric ignitor

数据表明，射流点火具与药盒式点火具点燃火箭发动机的工作机理有一定区别：射流点火具是利用点火具点火装药燃烧后形成较长高温燃气射流迅速点燃发动机装药内孔表面，并在较低压强作用下使发动机工作。这种点火具作用后输出压强小，发动机装药前后端点火迅速、平稳，对发动机装药没有破坏和损伤，发动机工作可靠、稳定。药盒式点火具是利用点火具点火装药产生的高温和较高压强点燃发动机装药，使发动机工作，这种点火具在恶劣环境条件下作用后因压强较高，对其临近的发动机装药有可能造成一定的破坏或损伤。

5 射流点火具与火箭发动机匹配试验

5.1 前置射流点火P——t试验

根据总体设计，点火具布置在火箭发动机底部，即前置射流点火。结果表明，射流点火具工作曲线与火箭发动机工作曲线拟合光滑、平稳，火箭发动机工作稳定。

5.2 后置射流点火P——t试验

根据总体设计，点火具布置在火箭发动机喷管部位，即后置射流点火。结果表明，射流点火具工作曲线与火箭发动机工作曲线拟合光滑、平稳，火箭发动机工作稳定。

6 结论

通过射流点火具的设计与研究，得到结论如下：

（1）射流点火具内腔压强较高，在2 000mm长火箭发动机装药孔内能喷射不低于装药长度的高温燃气射流；

（2）射流点火具火焰持续时间大于100ms；

（3）射流点火具点燃发动机装药压强较低，50ms时为0.2～0.7MPa，药盒式点火具点燃发动机装药压强较高，为4MPa左右；

（4）射流点火具与药盒式点火具点燃火箭发动机的工作机理有一定区别，射流点火具是利用点火具点火装药燃烧后形成较长高温燃气射流迅速点燃发动机装药内孔表面，并在较低压强作用下使发动机工作。这种点火具作用后输出压强小，发动机装药前后端点火迅速、平稳，对发动机装药没有破坏和损伤，发动机工作可靠、稳定。药盒式点火具是利用点火具点火装药产生的高温和较高压强点燃发动机装药，使发动机工作。这种点火具在恶劣环境条件下作用后因压强较高，对其临近的发动机装药有可能造成一定的破坏或损伤；

（5）该项技术适用于火箭发动机的前置射流点火和后置射流点火，并有利于提高火箭弹落点精度和火箭发动机的总体技术水平。

[1]刘伟钦.火工品制造[M].北京:国防工业出版社,1981.

[2]蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社，1999.

[3]徐灏.机械设计手册（第3卷）[M].北京：机械工业出版社，1995.