双脉冲内埋点火方案初步探索

陈 乐，黄少波，沈 欣



双脉冲内埋点火方案初步探索

陈 乐1，黄少波1，沈 欣2

（1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳，471009；2.中国人民解放军驻中国空空导弹研究院军事代表室，河南洛阳，471009）

针对双脉冲固体火箭发动机，设计了一种适合于第2脉冲点火的内埋点火方案。该方案采用环形点火器，药粒状的硼/硝酸钾作为点火用药，使用可烧蚀的高强度铝合金材料作为点火器壳体。点火器承压试验表明：在第1脉冲工作过后，环形点火器结构完整性，且点火过程无吹出物；此外，通过采用钝感电点火管和静电消除等方式保证了点火系统的安全性。

点火器；固体火箭发动机；双脉冲；点火药；压力

与单室单推、单室双推发动机相比，在发射重量和尺寸有严格限制的情况下，脉冲发动机通过优化脉冲之间的点火时间，可在减小导弹飞行速度和气动阻力的峰值、规避热设计风险的同时，合理分配飞行过程的能量，从而增加导弹的射程；同时，由于末速度的提高，导弹在末段具有足够的机动能力以消除中制导误差，对付在末段寻的飞行时目标可能出现的规避机动[1]。目前，国外已有多个战术导弹采用了脉冲发动机，美国波音公司的防区外发射近程攻击空地导弹SRAM-I和它的战术型SRAM-T、意大利的Idra导弹、英国的ARAM导弹、德国的战术防空系统（TLVS）均采用了脉冲固体火箭发动机，目前国内尚未有脉冲发动机应用于型号生产。

点火装置是发动机的一个重要部件，其功能是为发动机点火提供能源，引燃发动机主装药，保证发动机正常工作。对于发动机第1脉冲，采用常规的点火器即可；但对于第2脉冲，其装药采用自由装填的端燃药柱，点火器只能安装在药柱顶端，同时要求其在第1脉冲工作时产生的高温高压环境过后，能够安全、可靠、迅速地点燃发动机药柱。所以，需要将第2脉冲点火器与第1脉冲工作空间隔开。软隔层体积小，不需要支撑结构，质量轻，可与发动机装药、点火器一体化设计，是一种较好的隔离方案。针对脉冲发动机第2脉冲点火，本文设计一种内埋点火方案，将点火器内埋于第2脉冲装药端面内，能够在脉冲发动机第1脉冲工作后，保证功能和机构完整性，并且安全可靠点燃第2脉冲装药。目前该种点火方式在国内属于首次应用。

1 方案综述

针对脉冲发动机，内埋点火技术的主要特点包括：（1）脉冲工作时压强高，内埋点火系统承受高载荷，结构强度要求高；（2）端燃装药起始燃面小，点火延迟问题突出，点火系统与装药、隔层匹配性要求高；（3）吹出物限制严格，点火系统需在燃烧室内烧掉，易烧蚀特性要求高。针对以上特点，本方案中点火器外壳采用耐压可烧蚀金属材料，一方面可承受来自第1脉冲工作产生的高压，保证点火器可靠安全工作；另一方面，点火器工作后残骸能够迅速燃烧，不产生过大吹出物。除此之外，增加点火药量，采用低压易点燃、产气量高的点火药，同时针对装药端面燃烧的特点，注重设计点火器燃气喷射形式，使点火器燃气直接喷射在装药侧表面上，提高点火可靠性。

内埋点火器采用环形/盘形设计，内埋在装药与软隔层之间，采用环氧树脂胶将点火器粘接在点火器安装槽内部固化，工作后要求能够打开软隔层，并在规定时间内点燃端燃药柱。以环形点火器为例，图1为点火器与药柱、侧面包覆层、软隔层之间的位置关系图。

图1 内埋点火器位置示意图

2 点火药选择及药量计算

点火药是点火能量释放系统的核心，对于空空导弹使用的烟火剂型点火装置，应用较多的是黑火药、硼/硝酸钾、镁/聚四氟乙烯。黑火药因为其能量不高，多用于点燃双基型固体推进剂药柱；硼/硝酸钾和镁/聚四氟乙烯属于高能点火药，可用于复合推进剂点火，两者性能对比见表1。

表1 两种高能点火药性能对比[2-3]

Tab.1 Performance comparison of two high energy ignition powder

通过表1可知，硼/硝酸钾燃气中气体含量较多，点火时间短，低压下容易点燃，其原材料易得、稳定性好、易于成型，并且药柱强度高、抗磨性好、火焰感度高、容易被点燃，适合高空点火及自由容积较大的固体火箭发动机；镁/聚四氟乙烯燃气中气体含量较小，点火时间长，点火压力较高，压制成型的点火药点火敏感性低，可用于自由容积较小的固体火箭发动机点火。第2脉冲点火时，其自由容积较大，需要较多的燃气迅速建立压强，在较小的点火压强下点燃端燃药柱，通过对比以上两种高能点火药，首选硼/硝酸钾作为点火用药。

工程实际中影响点火性能的因素众多，如药柱初温、导热系数、比热容等参数均对点火性能产生不同程度的影响，这些因素相互关联，在不同条件下所起的作用相差很大，所以工程上采用经验公式来初步确定点火药量，再通过一定的试验来调整。式（1）[2]比较适合空空导弹发动机点火药量的估算：

式（1）中：W为点火药量，kg；Q为推进剂爆热，kJ/kg；Q为点火药爆热，kJ/kg；为药型系数，取0.35～0.65，药型越复杂系数读取值越小；为药柱长径比；T为发动机最低使用温度，℃；P为临界压强，一般取156.8×104N/m2；A为初始燃烧面积，m2；g为重力加速度，9.8 m/s2；K为面喉比；为推进剂密度，kg/m3；V为自由容积，m3。

本方案中取0.5，根据式（1）计算点火药量为172g，实际药量要比计算出的药量多10%～20%，以保证在低温条件下点火延迟时间满足要求，同时在高温下不会产生过高的点火压强峰。

实际应用中，第2脉冲点火过程比一般的点火复杂，点火器工作初始阶段，软隔层包覆的小空间内压力升高，这有助于点燃端燃药柱，但是很快随着压力的升高，软隔层打开，发动机后半段整个空间与点火空间连通，这时点火压强迅速下降，初步点燃的端燃药柱将有可能熄灭，这将导致点火延迟时间增加。因此，目前拟采用增加点火器点火药量来解决，本次设计中将点火药量初步定为230g。

3 点火器结构设计

当发动机第1脉冲工作时，将对第2脉冲产生高温高压气流，高温气流通过软隔层来抵挡，而高压需要点火器承受，在高压过后，点火器性能不能影响第2脉冲点火，更不能在压力产生过程中，第2脉冲点火器自燃。这就要求点火器壳体尽可能地使用抗压材料，材料厚度越大越好。但是，点火器需要点燃端燃药柱，这需要点火器壳体尽可能地薄，所以点火器壳体尺寸需要通过实验仿真等各种手段来加以确认。第2脉冲开始工作时，点火器处于端燃药柱顶端，端燃药柱产生的高温高压气流将推动点火器残骸从喷管处喷出，如果残骸未充分燃烧或者过大，就会对喷管产生负面影响，从而影响发动机工作性能。

根据上述分析可知，第2脉冲点火器壳体需要承受第1脉冲工作压强而不变形，同时在第2脉冲装药点火后需要烧蚀，且不产生影响发动机安全工作的喷出物，既需要具有一定的结构强度，也需要具有较低的熔点。本方案初步选用材料为铝合金。铝合金作为最轻的商用工程结构材料，具有比强度高、铸造成型性好、阻尼吸震降噪性能优越、电阻屏蔽性能强、机加工表面装饰性能良好等诸多优点，广泛应用于汽车电子和航空领域。该铝合金经过热处理后，抗拉强度达到300MPa。环形点火器壳体厚度2mm，结构如图2所示。为了增加点火药量，有效利用点火器内部空间，点火药采用粒状硼/硝酸钾。计算仿真表明，当第1脉冲装药工作产生的高压平均作用在点火器上，如图3所示，点火器壳体选用屈服强度大于250MPa的铝合金材料时，能够保证点火器在第1脉冲产生小于15MPa的压强下保持结构完整，变形量小。

图2 点火器结构示意图

图3 应力分布图

4 点火系统安全性设计

点火系统的安全性涉及到整个导弹武器系统的安全性，借鉴已批产型号点火系统设计[4]，电路连接图如图4所示。采用短路插座对电点火管进行短路，电点火管应满足GJB 344A规定的1A1W钝感性能要求[5]，桥路电阻为（1±0.2）Ω；绝缘电阻不小于20MΩ (DC500V/2min)；高温（+65°C）、低温（-50°C）条件下应均能发火，发火延迟时间不大于30ms。

图4 接线示意图

点火器所用点火药为硼/硝酸钾，应符合GJB 6217-2008[6]规定。在点火插座与电连接器之间增加点火电路盒，内含滤波器、静电泄放电阻、限流电阻、继电器等，滤波器用以在30×10-6～40GHz的范围内提供至少40dB的衰减；限流电阻用以控制点火电流在点火管工作要求范围内，且在接收足够大的点火电压（≮18V）后接通点火电路，静电泄放电阻用以消除静电干扰。以上安全措施已成功应用于多种型号固体火箭发动机点火方案设计中。

5 试验验证

5.1 点火器承压试验

依据以上设计，研制点火器样件，点火药量控制在220～240g之间，壳体材料使用铝合金，电点火管采用之前型号用钝感电点火头。使用双脉冲缩比样机，将点火器内埋于第2脉冲装药内，药柱侧向和端面均使用软隔层与第1脉冲燃烧室隔离，当点燃第1脉冲装药后，产生的高温高压燃气将间接作用在第2脉冲点火器上，以考核点火器承压性能；同时为保证足够的设计余量，试验中第1脉冲装药采用高燃速药，增大第1脉冲燃烧时作用在第2脉冲点火器上的压强。第1脉冲点火时的压强曲线及试验后第2脉冲点火器照片见图5。

图5 压强曲线及试验后第2脉冲点火器照片

从图5压力曲线可以看出，点火试验中燃烧室内最高压力22.6MPa，最小压力15.8MPa，高压持续时间 7.2s；试验后第2脉冲点火器结构完整，点火器内部药粒无明显损伤，保证了在正常情况（15MPa）时，第2脉冲点火器的结构完整。

5.2 无吹出物试验

使用5.1试验后的点火器，重新内埋于第2脉冲装药内，对其承压后的点火性能进行考核，同时考核其燃烧后是否存在影响发动机工作的吹出物。点火及推力压强曲线见图6。

由图6可以看出，从第2脉冲点火器发火到二脉冲发动机工作完成，整个过程中无肉眼可见的喷出物；同时试验曲线平滑无毛刺，表明发动机喷口处无影响发动机工作的喷出物。

图6 点火试验照片及推力、压强曲线

6 结论

针对双脉冲发动机，设计了一种环形点火器，采用铝合金作为外壳，硼/硝酸钾作为点火药，内埋于第2脉冲发动机装药内。通过理论计算及试验验证，能够得出：点火器直接内埋在装药表面，具有较高的安全性、可靠性；点火器具有较高的抗高温、高压的冲击能力，能够承受第1脉冲工作产生的高载荷，且不影响其点火性能；点火器在第2脉冲高温燃气中快速烧蚀，不会整体脱落或呈片状脱落，解决了发动机工作的吹出物问题。

[1] 孙超,张琳,等.双脉冲固体火箭发动机概况[J].飞航导弹，2013(8):72-77.

[2] 谢文超,徐东来,等.空空导弹推进系统设计[M].长沙:国防工业大学出版社,2006.

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

[4] 黄少波.空空导弹发动机点火系统安全性设计[J].航空兵器，2008(1):26-30.

[5] GJB 344A-2005 钝感电起爆器通用规范[S].国防科学技术工业委员会,2005.

[6] GJB 6217-2008硼/硝酸钾点火药规范[S].国防科学技术工业委员会,2008.

Exploration on Igniter Buried within the Double-pulse Engine

CHEN Le1，HUANG Shao-bo1，SHEN Xin2

（1.China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009；2. PLA’s Military Representative Office in China Airborne Missile Acedemy, Luoyang, 471009）

Aimed at the double-pulse engine, a buried igniter fit to the second pulse ignition was designed. The annular structure igniter was adopted, and granulose B/KNO3was used as ignition powder, the aluminum alloy with thermal ablation and high strength was used as shell material. The pressure test for igniter indicated that the igniter was integrated after the first pulse, and no substance was blown out during ignition. Meanwhile, by use of insensitive electric igniter and electrostatic elimination, the security of ignition system was ensured.

Igniter；Solid rocket motor；Double-pulse；Ignition powder；Pressure

1003-1480（2017）04-0009-04

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.04.003

2017-06-11

陈乐（1986 -），男，工程师，主要从事火工品技术研究。