基于AHYG-2产气药的单高压室固体燃气发生器设计

吴　昊，王　琦，刘欢杨，杨安民，安继峰

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

基于AHYG-2产气药的单高压室固体燃气发生器设计

吴昊，王琦，刘欢杨，杨安民，安继峰

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

为满足导弹快速发射、机动发射等新战技要求，同时为克服高压储气瓶类发生器的缺点，设计了单高压室固体燃气发生器。该设计采用AHYG-2产气药作为主装药，逐级放大中心点火方式以及金属压制网过滤冷却方式，并对其可靠性进行了分析。抛放试验表明，在实现相同功能的前提下，本燃气发生器较高压储气瓶式发生器及多燃烧室气体发生器具有体积小、重量轻、战术反应迅速、可靠性高的特点，可广泛应用于抛撒及释放机构，完全替代导弹上常规高压储气瓶。

固体燃气发生器；气体发生剂；单燃烧室；点火；过滤；可靠性

当今，随着各国核弹力量的发展，多弹头成为必然要求。弹头可提高作战威力，扩大毁伤范围，是增加武器突防能力的有效途径。对于重量较大多弹头的释放，目前主要采用储存式高压气瓶放气推动活塞做功实现。该方式主要存在战备时间长（＞30min）、储存期短（＜10a）、维护周期短（＜2a）、故障率高的缺陷。为克服储存式高压气瓶放气工作方式的缺点，提出了固体燃气发生器代替高压气瓶的工作方式。固体燃气发生器是一种先进火工装置，可以按照设计产生特定规律的气体。其主要依靠内部主装药燃烧产生的高温高压燃气工作，无机械运动部件，具有产气规律可控、战备时间短（零准备时间）、储存寿命长（＞17a）、寿命期限内免维护等诸多突出优点[1-4]。针对某型导弹对子弹的抛撒要求（为120kg的子弹提供6～8m/s的水平抛撒速度），本研究探讨单高压室固体燃气发生器的设计方案。

1　各种燃气发生器特性对比

1.1储存式高压气瓶气体发生器

储存式高压气瓶气体发生器主要由高压气瓶、电磁阀组成，结构如图1所示。该气体发生器的主要动力源为储存于高压气瓶内的高压气体，当需要释放气体做功时由控制信号控制电磁阀打开放气。

图1　储存式高压气瓶气体发生器结构示意图Fig.1　Structure schematic of cylinder gas generator

1.2新型烟火式气体发生器[5]

该新型烟火式气体发生器针对某型导弹子弹抛撒设计。其设计为四联装捆绑式结构，既将4个相同功能的烟火式气体发生器设计为一体，共享1套点火机构，但是设计为4个高压室。结构如图2所示。

图2　多燃烧室气体发生器结构Fig.2　Structure schematic of multiple high pressure chambered gas generator

该新型烟火式气体发生器点火后，4个独立的高压室同时燃烧，高温燃气经过独立的过滤冷却后汇聚到喷口，并排出气体发生器完成工作过程。

1.3单高压室固体燃气发生器设计

本研究的单高压室燃气发生器针对某型导弹子弹抛撒设计，要求为重量均为120kg的子弹提供6 ～8m/s水平抛撒速度，其结构如图3所示。其工作原理为：接到控制信号后，点火机构点火，将高压室内部的主装药点燃，燃烧的主装药产生高温高压燃气，燃气通过气体通路进入低压室壳体，经过过滤冷却机构后，排出燃气发生器，完成工作过程。

图3　单高压室燃气发生器结构Fig.3　Structure schematic of single high pressure chambered gas generator(SHPCG)

2　单高压室燃气发生器设计方案

2.1单高压室设计

燃气发生器仅含有1个高压室，全部主装药均装填于1个高压室内部，保证了主装药能够同时按照相同规律燃烧，避免了采用多高压室结构造成的主装药燃烧的不一致性。

2.2新型主装药

本固体燃气发生器的主装药采用基于第2代产气药技术的AHYG-2产气药，该产气药相较于第1代基于叠氮化钠的产气药具有如下优点：（1）绿色环保。燃烧产物除固相物质外，主要成分为水及氮气。药剂本身及燃烧产物对人体基本无毒害，避免了第1代产气药剂对操作人员的身体损害；（2）比容高。比容大于500mL/g，保证与多高压室类型的气体发生器达到相同功能，而装药量减少30%以上。

2.3压制成型主装药结构

主装药采用压制成型的方式进行装填。粉末状主装药压制为密度大于1.93g/cm3的环状结构药柱，环状结构的药柱外表面采用硅橡胶进行包覆阻燃，装填入高压室后，药环间的接触面使用“梅花”型垫片隔开，如图4所示。

图4　压制成型主装药结构图Fig.4　Structure schematic of compression moulding for main charge

进行包覆后的药环呈减面燃烧，保证燃气发生器在工作的前期具有最大做功能力，减少后期做不必要的功，利于燃面规律的控制及装药量的最小化。

2.4逐级放大中心点火

在进行城市湿地公园的景观设计工作中，必须遵守区域性的原则。通常，遵守区域性原则应注意：在设计中充分传承当地的人文特色。在这基础上，进行一个比较适宜的生态湿地公园的设计管理，充分将施工所在地的传统文化内涵融入建筑过程中，使其能够发展成为传递特有精神的渠道[4]。

点火机构采取逐级放大的中心点火方式。点火机构如图5所示。

图5　点火机构结构图Fig.5　Structure schematic of ignition mechanism

图5中燃气发生器的点火依靠2发点火器进行初始点火，点火器的点火能量经过放大点火药环的放大作用后，由点火喷口进入高压室。该点火方式一方面使点火能量集中释放，有利于点火能量的高效利用；另一方面，由中心部位对整个高压室内部的全部装药进行同步点火，满足了内弹道的“中心、高能量点火”设计原则，有效避免膛内压力波的产生，使燃气的输出特性更加稳定易控。

2.5金属压制网过滤冷却机构

高温高压燃气的过滤一直是固体发动机类产品的技术难题。常规金属丝编制网主要存在如下不足：（1）材料造价高，加工难度大。为满足高温下的高强度要求，通常采用钨合金、钼合金丝进行编织，此类金属材料不宜编织，良品率较低，造成成本上升；（2）过滤精度与强度存在矛盾。为达到较高过滤精度水平，金属丝编制网需要具有较小的丝径及较密集的编织方法，由此带来的问题是丝径较小、强度降低。特别是过滤网上形成大量滤饼时，会对过滤网造成较大压力，易导致过滤网破损失去过滤能力，或造成发生器（固体发动机）内部压力急剧上升，严重影响装药的正常燃烧，造成爆炸的恶劣后果。同时，破损的过滤网会在喷口部位形成堵塞，造成发生器（固体发动机）爆炸的后果。为此，本燃气发生器采用金属丝压制成型过滤网作为燃气过滤手段，该压制过滤网片采用丝径0.6mm的0Cr18Ni9不锈钢丝经模具压制成型，如图6所示。

该压制成型过滤网片可以依据过滤精度要求设计为特定的厚度及密度，一方面提高滤饼的包容率，降低内部压力对过滤网的破坏，另一方面通过吸收燃气热量或部分材料汽化来降低燃气温度。该过滤网片的材料耐热性能不及钨丝及钼丝，但其特殊的工作原理使过滤网片整体耐温性能大幅提高。此外，可依据使用需求压制为任意形状直接装填，不需要设计特殊的紧固及支撑装置。

图6　压制成型过滤网照片Fig.6　Photograph of compression moulding filter screen

2.6高可靠性

该燃气发生器在关键部位采用双路冗余设计，功能框图如图7所示，可靠性模型如图8所示。

图7　单高压燃烧室燃气发生器功能框图Fig.7　Function block diagram for SHPCG

图8　单高压燃烧室燃气发生器可靠性框图Fig.8　Reliability model for SHPCG

多燃烧室类气体发生器工作原理如图9所示，可靠性模型如图10所示。

图9　多高压燃烧室燃气发生器功能框图Fig.9　Function block diagram for MHPCG

图10　多高压燃烧室燃气发生器可靠性框图Fig.10　Reliability model for MHPCG

图10中：R1为点火器工作可靠性；R2为点火放大药环工作可靠性，R3、R4、R5、R6分别为4个燃烧室内主装药工作可靠性。其工作可靠性：

假设多个燃烧室的可靠性相同且均为R3（实际上并不相同），则单燃烧室与多燃烧室燃气发生器的可靠性关系为：

由此可知，单燃烧室发生器的可靠性较多燃烧室发生器相比，可靠性大幅提高。

3　子弹抛撒试验验证

采用实弹地面试验进行子弹抛撒试验验证，试验原理如图11所示。

图11　子弹抛撒试验装置示意图Fig.11　Launching experiment device for shrapnel release

利用该机构测试子弹抛放速度，试验样本量均大于5。在试验中，动力源分别为传统高压气瓶发生器、多燃烧室气体发生器、本文所述燃气发生器，试验中涉及到的参数比较结果如表1所示。

表1　各种燃气发生器参数对比表

经过试验验证，3种动力源均满足将子弹抛放速度达到6～8m/s的要求，但是在部分特性数据上，本文所述燃气发生器具有巨大优势。特别是可靠性大幅提高，结构重量较气瓶式气体发生器及多燃烧室气体发生器分别减轻108%及20%。

4　结论

高压燃气发生器在实现相同功能的前提下，解决了气瓶式气体发生器重量大、体积大、造价高、工作可靠性低、战术反应时间长的问题。同时，单高压室燃气发生器比多燃烧室燃气气体发生器具有更小的体积、重量，在产品生产过程中不涉及剧毒物质，更加绿色环保，特别是在工作可靠性方面大幅提高。该燃气发生器是该类产品的最精简设计，是对燃气发生器的一种新尝试。通过试验证明，该燃气发生器可代替常规高压气瓶气体发生器，作为导弹武器的子母弹分离释放、抛撒、解锁的动力源，并可扩展应用于相关领域。

[1] 王凯民,温玉全，编著.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2] 毛成立,李葆萱,等.燃气发生器流量调节方案的比较[J].北京航空航天大学学报,2006,32(10):3-5.

[3] 王伯羲,冯增国,杨荣杰.火药燃烧理论[M].北京:国防工业出版社,1997.

[4] 关英姿.火箭发动机教程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.

[5] 何锋彦,杨正才,等.一种新型烟火式气体发生器设计[J].火工品, 2014(1):1-4.

Design on A Single High Pressure Chambered Gas-generator (SHPCG) Loaded AHYG-2 as Main Charge

WU Hao，WANG Qi，LIU Huan-yang，YANG An-min，AN Ji-feng
(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061)

Aimed at requirements of speediness launching and mobile launching for missiles, as well as disadvantages of gas cylinder, a single high pressure chambered gas-generator (SHPCG) was designed, which takes AHYG-2 as main charge, ignition manner of central and step-by-step amplification, and cooling by compression mounding metal filter screen. Meanwhile, the function reliability of the SHPCG was analyzed. By shrapnel release experiment, it is known that compared to the gas cylinder and the multi high pressure chambered gas-generator (MHPCG), the designed SHPCG has the characteristics of smaller volume, lighter weight, shorter tactic time and higher reliability, it can also be widely used in some other fields of release and launching of shrapnel for missile, and totally take the place of gas cylinder in missile.

Solid gas generator；Gas generating agent；Single high pressure chamber；Ignition；Filter；Reliability

TJ450.2

A

1003-1480（2015）01-0018-04

2014-10-27

吴昊（1982-），男，工程师，从事火工品设计研究。