管状装药燃气发生器工作压强研究

喻 峰，周福祥

(江南机电设计研究所，贵州 贵阳 550025)

0 引言

装填式管状药柱的燃气发生器[1]工作时理论上是恒定压强，但在很多型号研制初期会出现压强持续升高或者后半段持续下降等现象，小直径燃气发生器出现的频率更高。压强过高会对结构安全性本不存在燃气冲刷前端限燃层导致脱落。而后端燃气流会加速到10～50 m/s，当限燃层粘贴工艺有缺陷或不稳定时，燃气发生器[2-3]后端限燃层受燃气流冲刷导致局部脱落可能性较大。推进剂持续燃烧产生的气流对脱落的限燃层持续冲击，限燃层持续脱落，因此本文只考虑后端面限燃层脱落情况。理论上在燃烧过程中，后端限燃层何时脱落、起始脱落位置等多种形式导致压强多种变化。另外，由于两端包覆的管状药柱内外圆均是燃烧面，相对来说，内圆空腔体积较大，点火器燃气流首先点燃内圆燃面，外圆燃面相对滞后。由此带来的内外圆燃速差异导致总燃面与理论不符，因此压强趋势与理论存在差异。本文主要分析以上两种情况产生燃面及压强变化的原因，研究结果表明该分析方法能有效评判试验压强异常现象，对改进药柱和燃气发生器结构设计提供理论依据。

1 装药模型及性能参数

以某项目燃气发生器为例，其装药结构如图1所示，推进剂[4]燃面为管型药柱，两端粘贴限燃层，内外圆表面燃烧。

推进剂性能参数如下：

(1)推进剂燃速：15 mm/s(P=10 MPa)；

(2)压力指数：0.3；

(3)特征速度：1250 m/s；

(4)密度：1.6 g/cm3。

2 限燃层脱落

2.1 假设条件

为了便于研究机理，主要考虑三种状态，形式为后端面外圆限燃层脱落、后端面内圆限燃层脱落、后端面内外圆限燃层同时脱落，其脱落位置在药柱内外圆与限燃层搭接处。假设脱落状态如下：

(1)点火冲击瞬间，限燃层出现局部脱落，即燃面燃烧零时刻即存在限燃层脱落，脱落长度为5 mm；

(2)限燃层持续脱落速度与推进剂燃速相同，且沿径向方向延伸；

(3)限燃层与装药沿圆周径向均匀脱落。

2.2 外圆限燃层脱落

推进剂总燃面变化过程包括四个燃面，分别为内孔燃面、外孔燃面、后端面直段燃面和圆弧段燃面。随着燃面推移，燃面变化过程有以下四个阶段，如图2所示。

(1)零时刻，有三个燃面参与燃烧，内孔燃面、外孔燃面和后端直段燃面；

(2)随着燃烧持续，后端面分化成直段燃面和圆弧燃面，直段燃面逐步减小，圆弧段燃面逐步增大，内孔燃面处于增面过程，外孔燃面处于减面过程；

(3)随着外孔直径逐渐减小，后端直线段燃面消失，后端圆弧段燃面、内孔燃面仍然处于增面过程，外孔燃面处于减面过程；

(4)当内孔燃面逐渐推移至与圆弧燃面相交时，后端限燃层完全脱落，后端圆弧燃面开始减小，内孔燃面仍然处于增面过程，外孔燃面仍然处于减面过程，直至内外圆孔燃面相交，燃烧结束。

2.3 内圆限燃层脱落

内孔限燃层脱落燃面推移过程与外孔一样，如图3所示，只是限燃层脱落起始位置不同。

2.4 内外圆限燃层同时脱落

此燃面变化过程包括六个燃面，内孔燃面、外孔燃面、内孔直段燃面、内孔圆弧段燃面、外孔直段燃面、外孔圆弧段燃面，如图4所示。

随着燃面推移，燃面变化过程如下：

(1)零时刻有四个燃面参与燃烧，内孔燃面、外孔燃面、内孔直段燃面、外孔直段燃面。

(2)随着燃烧持续，后端内孔分化成内孔直段燃面和圆弧燃面，后端外孔分化成外孔直段燃面和圆弧燃面；内、外孔的直段燃面逐步减小，圆弧段燃面逐步增大；内孔燃面处于增面过程，外孔燃面处于减面过程。

(3)随着内、外孔直径逐渐减小，后端内、外孔直线段燃面消失，内、外孔圆弧段燃面处于增面过程，内孔燃面仍然处于增面过程，外孔燃面处于减面过程。

(4)当内、外孔燃面逐渐推移至与内、外孔圆弧燃面相交时，后端限燃层完全脱落，内、外孔圆弧燃面开始减小，内孔燃面仍然处于增面过程，外孔燃面仍然处于减面过程，直至内、外圆孔燃面相交，燃烧结束。

2.5 燃面和压强变化

从图1到图4中可以看出，当管状药后端面限燃层脱落后引起的燃面变化情况。起始燃面由于存在限燃层局部脱落，燃面缓慢变小，当后端面直段燃面消失后，圆弧段燃面逐渐增大，总燃面逐步抬升，当限燃层全部脱落后，圆弧段燃面急剧下降，导致总然面下降，直到燃烧结束。内孔限燃层脱落和外孔限燃层脱落，总燃面相近，内外孔同时脱落带来的燃面变化较大，根据燃面计算的燃烧室平衡压强如图5所示。

3 内外圆燃速差异

固体火箭发动机工作原理为点火器工作产生初始高温高压燃气，燃气迅速流经推进剂表面使推进剂开始燃烧，因此燃烧室内推进剂起始燃烧面与装药燃面形状有很大的关系。大多数燃气发生器装药形式为装填式管型药柱，为了增加装药量，药柱外圆与燃烧室内壁绝热层间隙较小，一般情况下间隙不大于3～5 mm，药柱内圆腔体是燃烧室最大的自由空间。当燃气发生器使用单根管型药柱时，点火器位于药柱内圆内，点火燃气流瞬间占据内孔空间，从而首先点燃内圆表面推进剂。由于外圆与壳体间隙很小，点火燃气流到燃烧室后封头反流回壳体间隙，外圆装药表面才开始逐渐燃烧，此时间隙处的外圆表面燃烧由于温度、流量、流速形成的工况与内圆空腔环境大相径庭，装药表面燃速受到较大的影响，因此建压过程较为缓慢。由于内、外圆装药燃速差异，导致燃面推移变化，最终影响燃气发生器燃烧室压强。

3.1 假设条件

根据以上机理，仍用上述药柱结构建立燃速模型，推理单根管型药柱燃面推移，从而预示燃烧室压强。

(a)推进剂燃速理论值为15 mm/s。

(b)内圆推进剂燃速在0.2 s建压过程中，燃速从零逐渐增加到15 mm/s，外圆间隙处推进剂燃速从零增加到稳定燃速的一半，即7.5 mm/s。

(c)建压完毕后，外圆燃速持续增加，直至达到稳定燃速。

3.2 燃面和压强变化

理论模型不考虑建压过程，管状型药柱(前后端面限燃)燃面恒定不变，因此燃面和压强没有变化。由于内、外圆燃速差异导致内、外圆燃面推移发生变化，在建压过程中，外圆燃速偏低，燃面变化小导致流量偏小；建压完成后，外圆仍然提升燃速，直到某时刻达到稳态燃烧，相比理论设计，总燃面呈逐步加大趋势，如图6所示。

理论燃速15 mm/s，工作时间1.7 s，燃烧室平均压强9.86 MPa。由于内外圆燃速不一致，实际压强达到平衡后，逐渐升高，根据假设条件的设置，最大压强达到11 MPa，如图7所示。

以下是某燃气发生器理论与实际压强对比，如图8所示。由此可见，管状药柱在实际燃烧过程中，内外孔燃面燃速不一致，导致压强呈现逐步抬升趋势。设计平衡压强9.1 MPa，而实际压强逐渐上升到最大压强10 MPa。

4 结论

常规燃气发生器通常采用自由装填管状药柱，在实际研制过程中，由于制造工艺经常出现燃气发生器内弹道与理论差异较大，特别是有前后包覆结构的管状药柱，限燃层的脱落导致燃面发生较大的变化，随之会对燃气发生器的性能产生不利影响。因此必须严格控制限燃层的包覆要求，杜绝限燃层在工作过程中脱落现象。另外，从设计角度来看，严格设计和控制自由装填式管状药柱的内圆、外圆自由空间，否则会严重影响内、外圆推进剂表面燃速一致性，导致压强逐渐抬升的现象。