固体火箭发动机桥丝点火系统失效分析

温瑞珩，叶 玮，郑守铎

(92941部队92分队，辽宁 葫芦岛 125001)

0 引言

固体火箭推进技术在各类战术火箭、导弹和炮弹武器中得到了广泛应用。目前正在服役的各类战术火箭和导弹中，其动力装置绝大多数是采用固体火箭发动机。而点火系统作为固体火箭发动机中一个重要部件，也是一个极易失效的部件。其作用是安全可靠地点燃固体火箭发动机主装药，使主装药按预定的方式和速度进行燃烧，并满足弹道性能的要求。通常点火系统的点火方式主要采用桥丝点火、激光点火和半导体桥点火等。激光点火技术于20世纪60年代开始研究，美国在80年代成功进行了固体火箭发动机激光点火试验研究，国内对此技术的应用也开展了一些研究工作;半导体桥点火技术是20世纪80年代发展起来的一种点火技术，由于其具有的高安全可靠性、低发火能量等优异特性，国内外作了许多探索，并取得了一些研究成果;点火系统设计合理与否、工作可靠与否，直接关系到发动机的成败，甚至会造成巨大的军事和经济损失［1-2］。桥丝点火技术在国内外固体火箭发动机的点火系统上得到了广泛的应用。虽然该点火技术从理论到技术的可行性上都具有一定的成熟度，但在工程应用中经常由于各种原因产生实效。本研究针对固体火箭发动机广泛采用的桥丝点火系统，分析和总结其在工程应用中的典型失效模式及产生机理，提出相应的预防措施。

1 点火系统的构成及工作原理

1.1 点火系统的构成

点火系统通常由电气分系统、发火分系统、能量释放分系统组成［3-5］。

电气分系统一般由电池、功能组件、转接插件、电缆组成，其功能是按照发动机的点火时序为发火系统提供达到要求的点火电流，保证发火分系统可靠发火。

目前常用的发火分系统通常由电发火管、点火线路和发火管固定座等组成。其功能是在电气分系统所提供的满足要求的发火电流的作用下可靠发火，产生的高温高压燃气进一步为能量释放系统的点燃，提供足够的点燃能量。

能量释放分系统通常由点火药(如烟火剂、黑火药、聚四氟乙烯加镁粉等)、结构壳体等组成。其功能是点火药在发火系统的作用下，迅速点燃，为发动机装药燃烧提供能量。

1.2 点火系统工作原理

点火系统接受点火指令后，电气分系统的电池激活，给供电总线加电，电气分系统按照点火时序通过功能组件、转接插件、电缆给发火系统供电，引爆电发火管，电发火管产生的高温高压燃气进一步点燃能量释放系统的点火药，点火药所产生的更高能量的火焰喷射在发动机装药表面，点燃装药，从而使发动机迅速启动并可靠工作。工作原理如图1所示。

图1 发动机点火系统工作原理图Fig.1 Working principle diagram of engine ignition system

2 典型失效模式及机理

从发动机点火系统的组成及工作原理分析，通常失效模式可分为电气分系统失效、发火分系统失效及能量释放分系统失效。任一失效模式都会造成发动机无法正常工作。

2.1 电气分系统失效

电气分系统失效是指电气分系统无法正常给发火分系统供电，导致发火分系统不能点火，如图2中曲线b所示(曲线a为正常信号)。

图2 点火信号曲线图Fig.2 Ignition signal curve

图3为电气分系统原理图，从图中可以看出，其失效模式主要为点火电池、功能组件、转接插件及电缆的失效。

图3 电气分系统原理图Fig.3 Principle diagram of electrical subsystem

1)点火电池失效。点火电池一般为热电池，其工作机理是在激活电流的作用下，桥丝发热激活电池，使其达到工作电压，为发火分系统供电。失效模式通常为激活电流过大，导致桥丝在极短时间内被熔断，终止了加热过程，产生的热量过小，无法使电池正常激活。所产生的激活热量可由式(1)计算得到。

式中，Q为桥丝加热所产生的热量，I为激活电流，R0为桥丝电阻，t为激活时间。

2)功能组件及转接插件失效。从图3可以看出，电气分系统按照一定的时序，通过功能组件及转接插件，将电加到发火系统使其发火。功能组件的失效模式通常为不能正常开闭，失效概率主要由组件的可靠性决定;而转接插件的失效模式一般为插针损坏、接触不良，通常是由于在安装及测试中的非规范性操作所致。

3)电缆失效。在电气分系统中存在着较多的电缆，由于其结构、工艺简单，可靠性高，失效往往被忽略。电缆失效模式主要为断路和短路两种情况，其中断路情况发生的概率极低，主要是由于安装过程中的非规范性操作所致，如拉扯等。而对于短路情况，一般发生在经常拆装的电缆上，且发生的频率较高。如图3所示，某点火电缆A靠近转接插件CZ3端为焊接工艺，那么在生产、拆装、测试等过程中，由于电缆A受外力不断弯折、挤压等，电缆芯线外的绝缘层就容易发生破裂，再加上点火电缆A靠近转接插件CZ3端的屏蔽层若为平齐绑扎工艺，那么屏蔽层的金属毛刺就容易与点火电缆绝缘层破裂处的芯线接触，造成短路，形成一个瞬态的大电流，高达数10 A，对电气分系统造成损坏。

2.2 发火分系统失效

发火分系统原理图如图4所示。其主要组成部分是电发火管和导线(图4a)。其失效模式通常分为电发火管不发火和异常发火两种情况。不发火一般是由于发火电流过大，导致电发火管桥丝在极短时间内被熔断，终止了加热过程，因所产生的热量过小，热敏火药不能正常引发，从而造成电发火管不发火;而异常发火则是由于发火分系统不可避免地处于复杂的电磁场环境中，当导线在交变磁场作用下，在电路中就会产生交变电流，如果电流超过了最大安全电流，就会使电发火管异常发火。

图4 发火分系统原理图Fig.4 Firing subsystem principle map

2.3 能量释放分系统失效

能量释放分系统的核心是点火药，点火药的选择应与点火系统的类型相匹配，对于烟火剂型点火系统，较多使用的是烟火剂、黑火药。其失效模式通常为发动机瞎火、点火延迟、断续燃烧和壳体变形、爆炸等。其中发动机瞎火、点火延迟、断续燃烧等失效模式主要是由于点火药量不足，无法保证点火燃气向装药表面提供足够的热流，使点火正常进行并进入稳态燃烧;而发动机壳体变形、爆炸等失效模式主要是由于为了保证点火可靠，或者解决低温条件下发动机难点火的问题而加大点火药量(点火药量越大，压力越大)，当压力突增时，传给燃烧表面的热流也突增，来不及向装药内部纵深传递，使燃烧表面积存得热量增多，燃速提高，从而导致点火压力过大［6-7］。

3 点火系统典型失效模式预防

3.1 电气分系统典型失效模式预防

1)对于点火电池因激活电流过大而导致的失效情况，通常采用串联功能电阻的方式予以限流，功能电阻R功能可由式(2)计算得到。

式中，U激活为激活电压，I激活为激活电流，R电池为电池内阻。

2)对于功能组件及转接插件失效问题，不仅要通过提高功能组件可靠性，而且要进一步规范操作细则来减小失效发生概率。

3)对于发生频率较高的因短接而导致的电缆失效情况，采取将点火电缆插头座端电缆的焊接后包覆绝缘层工艺，改为点火电缆直接焊接插头座后灌胶工艺;并且将点火电缆插头座端电缆屏蔽层的平齐绑扎工艺，改为翻卷后绑扎工艺，从而保证点火电缆不会因短接而造成失效。

3.2 发火分系统典型失效模式预防

1)对于发火分系统的电发火管因发火电流过大而导致的失效情况，通常采用串联功能电阻的方式予以限流，功能电阻R功能可由式(3)计算得到。

式中，U发火为激活电压，I发火为激活电流，R1、R2为电发火管内阻。

2)对于发火分系统因交变磁场作用而导致的失效情况，通常采取在发火分系统上加装低通滤波器的方式，如图4b所示。当交变电流通过时，电感产生的阻抗ZL=ωL，电容产生的阻抗ZC=1/ωC，总阻抗 Z=ZL+ZC。其中，ω 为交变电流频率，L为电感，C为电容。

由此可知，ω越大，ZL越大，ZC则越小。当高频电流通过时，电感阻抗大，高频电流绝大部分通过电容滤掉，而当直流点火信号通过时，电容的阻抗很大，电流顺利通过电感到达电发火管，完成正常点火。

3.3 能量释放分系统典型失效模式预防

能量释放分系统的失效主要是由于点火药量造成的，尤其对于发动机研制初期，主要通过经验公式估算点火药量，而经验公式是试验结果的总结，有许多局限性，如通用性差、估算范围较大，需要大量试验才能确定合理的药量;另外多数经验公式只考虑了影响点火性能的一种或几种因素，经验参数的选择依赖于设计人员的设计经验，计算结果误差较大。

樊超等［8］针对传统经验公式估算点火药量存在的不足，依据固相点火理论提出了一种固体发动机点火药量的计算方法，对固体火箭发动机进行点火药量进行了验算。验证结果表明该公式估算的点火药量与发动机实际试验药量基本一致，估算精度和通用性都优于传统经验公式，较好地解决了点火药量估算不准的问题，大大降低了因此导致的失效概率。

4 结束语

随着固体火箭推进技术在各类战术火箭、导弹和炮弹武器中的广泛应用，固体火箭发动机点火系统设计的合理性、性能的好坏等都将直接影响发动机的性能。针对桥丝点火系统的3种典型失效模式、产生机理、相应的预防措施进行了阐述，对发动机点火系统的研制、生产、试验评定等工程应用具有一定的参考和借鉴作用。在工程应用中，不仅要提高结构组件可靠性，合理设计激活电流，严格规范操作，改进电缆工艺等，而且，能量释放分系统的点火模型的深入研究更应是今后致力的方向。

［1］李健松.固体火箭发动机设计［M］.长沙:国防科技大学出版社，1991:209－211.

［2］杜瑞兵，王刚.固体火箭发动机点火失效分析及改进［J］.四川兵工学报，2008，29(4):7－8.

［3］闵斌.防空飞行器固体火箭发动机设计［M］.北京:宇航出版社，1993:148－153.

［4］王元有.固体发动机设计［M］.北京:国防工业出版社，1984:313－316.

［5］睦英，胡克娴.固体火箭发动机［M］.北京:北京理工大学出版社，1990:113－115.

［6］易磊，寇军强，李卫鹏，等.战术固体火箭发动机点火冲击试验研究［J］.弹箭与制导学报，2010，30(6):150－151.

［7］孙骑，曲家惠.固体火箭发动机点火装置的技术现状和发展趋势［J］.四川兵工学报，2011，32(10):17－20.

［8］樊超，张为华，王中伟.固体火箭发动机的一种点火药量估算方法［J］.航空动力学报，2009，24(10):2379－2383.