一种小型姿控推冲器输出性能的试验研究

李志良，华 琦，赵 亮，刘海旭，乔改霞，吴玉均



一种小型姿控推冲器输出性能的试验研究

李志良，华 琦，赵 亮，刘海旭，乔改霞，吴玉均

（北方特种能源集团有限公司西安庆华公司，陕西 西安，710025）

从主装药、点火药、喷管和剪切片4个方面对姿控推冲器进行了设计，并通过推力试验验证了主装药类型、点火药类型、喷管的喉径、扩张比和扩张角以及剪切片厚度和材料对输出性能的影响规律。结果表明：主装药采用改性双基推进剂GQ-3时推冲器比冲可达207.5s；点火药采用硼-硝酸钾点火药时点火时间最小为0.32ms；喷管喉径为Φ2.5mm、扩张角为70°、扩张比为2.4时总冲量达到3.50N·s，比冲达208.6s；剪切片采用0.3mm厚的铜带时作用时间最短为4.15ms，峰值推力达到1 420N。

姿控推冲器；改性双基推进剂；比冲；总冲量；推力

未来战争要求智能化弹药具有精确打击能力，通过小型姿控推冲器对其末段飞行弹道进行修正，可以提高其命中率。姿控推冲器尤其适用于高马赫数下或稀薄大气层中对飞行器进行姿态与轨道控制。例如，美国的PAC-3爱国者导弹和俄罗斯的S-400导弹均安装了多个姿控推冲器作为末段轨控动力系统，用于修正飞行弹道，并提高打击精度[1]。本文设计了一种小型的姿控推冲器，具有结构紧凑、作用时间快、输出能量高的特点，通过推力试验研究了影响输出性能的因素和规律。

1 结构特点

姿控推冲器主要由上喷管、剪切片、下喷管、上挡药板、主装药、壳体、下挡药板和点火管等组成，结构示意图见图1。

图1 姿控推冲器结构示意图

如图1所示，喷管设计为上、下两个喷管，上喷管与壳体通过螺纹连接，上、下喷管将剪切片夹紧固定，这种结构能较好地控制剪切压力，从而保证点火压力和点火可靠性。上、下挡药板将主装药固定在壳体中，上、下挡药板均设计了多孔结构，有利于气体流动。点火管通过上、下螺纹分别与下挡药板和壳体连接，为达到快速响应点火和钝感化要求，点火管桥路采用半导体桥，接到发火指令后，桥路首先作用，引燃点火药，再点燃主装药，同时将剪切片冲破。主装药燃烧产生高温高压燃气，燃气通过下喷管和上喷管后流动排出，产生脉冲推力。使用时，姿控推冲器通过壳体的外螺纹安装在被修正的弹体上。

2 实验部分

2.1 主装药选择与试验

姿控推冲器在规定的作用时间内输出推力，推力与作用时间的积分为总冲量，总冲量的大小决定了姿控推冲器输出能量的大小。主装药作为姿控推冲器的能量源，必须具有较高的装药能量才能输出高的总冲量。表1比较了推冲器主装药为某改性双基推进剂GQ-3、9/7三基发射药、2号大粒黑的输出性能[2]，推力——时间曲线见图2。点火时间指从通电到推力上升至峰值推力10%的时间，作用时间指从通电至推力下降至峰值推力10%的时间。

表1 不同主装药时推冲器的试验结果

Tab.1 Test result of ACM for different main charge

图2 不同主装药时推冲器的推力——时间曲线

2.2 点火药选择与试验

为保证主装药可靠点燃，点火药燃烧产物中应有高温高压气体和灼热粒子。燃气在装药自由空间内扩散，灼热粒子与主装药表面接触，以对流、传导和辐射方式向主装药传热，提高了主装药表面温度，并将主装药加热到发火点温度，开始点火。产生的初始火焰向整个装药传播，主装药进入正常燃烧，点火过程完成[3]。表2比较了主装药为改性双基推进剂GQ-3、3种点火药量均为75mg时推冲器的输出性能，推力——时间曲线见图3。

表2 不同点火药时推冲器的试验结果

Tab.2 Test result of ACM for different ignition powder

图3 不同点火药时推冲器的推力——时间曲线

2.3 喷管试验

喷管的功能是将燃气的热能转化为输出推力，实现做功。喷管转化效率的高低影响输出能量的大小。影响喷管转化效率的因素包括喉径、扩张比和扩张角等。根据相关资料，下喷管的参数对输出性能影响不大，本文只对上喷管的参数进行研究。

表3比较了不同喉径下推冲器的输出性能，推力——时间曲线见图4；表4比较了不同扩张比下推冲器的输出性能，推力——时间曲线见图5；表5比较了不同扩张角下推冲器的输出性能，推力——时间曲线见图6。推冲器主装药均为改性双基推进剂GQ-3。

表3 不同喉径下推冲器的试验结果

Tab.3 Test result of ACM for different throat diameter

图4 不同喉径下推冲器的推力——时间曲线

表4 不同扩张比下推冲器的试验结果

Tab.4 Test result of ACM for different divergence ratio

图5 不同扩张比下推冲器的推力——时间曲线

表5 不同扩张角下推冲器的试验结果

Tab.5 Test result of ACM for different divergence angle

图6 不同扩张角下推冲器的推力——时间曲线

2.4 剪切片的选择和试验

通过控制剪切片材料和厚度控制剪切压力，剪切压力必须大于主装药的临界点火压力，才能保证主装药全面点火，从而保证产品作用可靠性。表6比较了相同喉径下剪切片为不同材料和厚度时推冲器的输出性能，推力——时间曲线见图7。主装药均为改性双基推进剂GQ-3。

表6 不同剪切片时推冲器的试验结果

Tab.6 Test result of ACM for different shear slice

图7 不同剪切片时推冲器的推力——时间曲线

3 结果与讨论

由表1中数据可得，3种主装药的点火时间和作用时间相当，但改性双基推进剂GQ-3的装药量、峰值推力、总冲量和比冲都最大；推进剂在设计的工作压力下燃烧稳定，能量释放完全，图2中曲线下的面积最大。发射药虽具有较高的能量，但是低压下燃速较低，能量释放不完全，曲线下的面积最小。黑火药燃速较高，但是比冲较低，达不到高能装药，输出总冲量也有限。在其他条件相同时，推进剂GQ-3在有限的装药空间下装药总能量和输出能量最高。

由表2中数据可得，推冲器的点火药为硼-硝酸钾点火药时点火时间、峰值时间和作用时间短，说明硼-硝酸钾点火药的点火能力强，同时主装药燃烧稳定，提高了输出推力、总冲量和比冲。硼-硝酸钾点火药之所以较黑火药和镁-聚四氟乙烯点火药的点火匹配性好，是由于它的燃烧产物中灼热粒子即凝固相成分较黑火药的多，气相成分较镁-聚四氟乙烯点火药的多。而改性双基推进剂的点火与点火压力和固相加热层有关，在硼-硝酸钾点火药的点火作用下更为敏感，容易达到着火点和临界点火压力，实现稳定燃烧。

从表3中数据可得，在喷管扩张比和扩张角相同时，通过减小喉径可缩短作用时间，同时提高峰值推力、总冲量和比冲，但是对点火时间和峰值时间影响不大。因为喉径减小后，气体排出流量降低，壳体内燃烧压力升高，推进剂的燃速增加，燃烧时间变短，推进剂的燃烧更加充分，输出能量提高。

从表4中数据可得，在喷管喉径和扩张角相同时，随着扩张比的增加，峰值推力、总冲量和比冲先提高后降低，但是对点火时间、峰值时间和作用时间影响不大。扩张比小时，燃气欠膨胀而没有充分加速，热能没有最大限度地转化为推力；扩张比增加到一定值时，燃气膨胀充分，推力提高；扩张比继续增加后，燃气过膨胀，喷管内外壁面上有一部分压力在轴向的合力与推力方向相反，起到抵消的作用，推力反而降低。

从表5中数据可得，在喷管喉径和扩张比相同时，随着扩张角的增加，峰值推力、总冲量和比冲呈增加趋势，作用时间呈减小趋势，而对点火时间和峰值时间影响不大。说明扩张角增加后，燃气膨胀并充分加速，热能转化效率提高。但由于推冲器外形尺寸限制，扩张角不能继续增大。

由表6中的数据可得，三者点火时间相当，剪切片材料相同时随着厚度的增加，推冲器的峰值时间和作用时间降低，峰值推力、总冲量和比冲得到提高；剪切片厚度相同时，铜带与铝带相比推冲器的峰值时间和作用时间降低，峰值推力、总冲量和比冲得到提高。由于剪切片厚度和材料强度的增加，剪切压力增加，提高了点火压力，推进剂的点火和燃烧更充分，使峰值时间和作用时间降低，输出能量提高。

4 结论

（1）姿控推冲器的外形尺寸较小，装药空间有限，主装药采用改性双基推进剂GQ-3时提高了装药和输出能量；

（2）主装药为改性双基推进剂GQ-3、点火管采用硼-硝酸钾点火药时，两者点火匹配性好，可提高输出能量；

（3）减小喉径和增加扩张角时，推冲器的作用时间变短、输出能量提高、转化效率提高，喉径减至Φ2.5mm时，曲线形状由类平台变为三角形；喉径为Φ2.5mm、扩张角为70°、扩张比为2.4时总冲量最高达3.50N·s，比冲最高达208.6s；

（4）剪切片采用0.3mm的铜带时推冲器的作用时间最短为4.15ms，峰值推力达到1 420N。

（5）本研究的姿控推冲器可为弹道修正和飞行控制提供技术支撑。

[1] 中国科学技术协会.兵器科学技术学科发展报告[M].北京:中国科学技术出版社,2009.

[2] 张续柱.双基火药[M].北京:北京理工大学,1997.

[3] 屠小昌,王建生.固体火箭发动机点火药量的计算[J].固体火箭技术,2000,23(4):5-6.

Study on Output Performance of A Small Attitude Control Motor

LI Zhi-liang，HUA Qi，ZHAO Liang，LIU Hai-xu，QIAO Gai-xia，WU Yu-jun

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

The attitude control motor（ACM） was designed from four aspects, such as main charge, ignition charge, nozzle and shear slice. The effects law of main charge type, ignition charge type, the throat diameter, divergence ratio and divergence angle of nozzle, and the thickness and material of shear slice on output performance were verified by thrust test. The results showed that, the specific impulse reached to 207.5s using the composite modified double base propellant named GQ-3, the minimum ignition time was 0.32ms using B-KNO3ignition powder, the specific impulse reached to 208.6s and the total impulse reached as high as 3.50N·s, when the nozzle throat diameter was 2.5mm, the divergence angle was 70° and the divergence ratio was 2.4. The maximum thrust reached to 1 420N and the shortest action time was 4.15ms, when the thickness of shear slice was 0.3mm using copper belt.

Attitude control motor(ACM)；Composite modified double base propellant；Specific impulse；Total impulse；Thrust

TJ45+6

A

1003-1480（2014）04-0001-04

2014-06-18

李志良（1982-），男，工程师，主要从事火工品研制。