一种低燃温燃气发生器的点火技术研究

胡晓龙，屠小昌，杨树彬，杨安民，张国兴，李 明

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

近年来，由于燃气发生器具有结构简单、体积小、作用迅速等特点，已在航空航天领域广泛应用。在燃气发生器的应用中，其燃烧气体大多经过喉径细小的喷嘴、铝制或者钢制管道，吹动涡轮带动电机伺服机构。如果燃气的燃烧气体温度过高，会损害流经装置的安全性能甚至直接造成意外事故。特别是利用燃气发生器作气源装置时，对其燃气的温度有更严格的限制。

目前，国内外有许多方法获得低燃温燃气，最直接和最有效的途径是运用低燃温主装药，然而在低燃温燃气发生器的研制过程中出现了点火难的问题，因此对低燃温燃气发生器点火技术的研究十分必要。

1 点火理论分析

在工程上规定：从点火讯号或指令给出的时刻起到初始压强pi建立为止，其间所对应的时间间隔称为点火延迟时间tdi[1]。点火延迟时间tdi是衡量燃气发生器点火性能的主要指标，若点火延迟时间超过规定值，便认为该燃气发生器点火不可靠。

根据点火理论的温度点火准则，只要药柱表面温度Ts达到药柱的点火温度Td时，就认为药柱被点燃。假设燃气对药柱表面的热交换为一元问题，药柱为半无限大物体，燃气遵守理想气体定律，则时间τ的表达式：

由式（1）可知，影响τ的因素可分为4大类：（1）药柱的物理化学性质和初始温度：低燃温推进剂中添加一定比例的降温剂，不仅改变了低燃温推进剂药柱的物理化学性能，并使其燃烧性能变差，从而造成了低燃温燃气发生器点火难的问题。（2）点火药性质：点火药的燃烧气体温度Tg越高，点火延迟时间τ越小。点火药量过少，会使τ增大或者造成瞎火。点火药量过多，反而会引起过高的点火压强峰，并对燃气发生器的安全性造成影响[2]。（3）燃气发生器的结构：燃气发生器燃烧室自由容积V越大，点火压强建立的时间增大，则会使τ加大。但V过小，点火燃气在药柱表面停留时间短，药柱表面很难建立起必要厚度的加热层，也会使τ增大[4]。（4）点火器的数量及安装位置：点火器放在燃气发生器的头部，会使点火燃气全部流经药柱表面，采用多个点火器，可获得较短的点火延迟期。

2 产品设计及试验方案

由于本文低燃温燃气发生器的研究依托于某减震气囊用低燃温燃气发生器的研制，要求燃气发生器装药燃烧产物洁净，含微量凝固相成分及腐蚀性气体，不能含金属凝固相粒子，以防止凝固相粒子对气囊的局部烧伤损坏及腐蚀性气体对气囊的腐蚀性损坏。通过研究发现，确定低燃温推进剂为ZKT推进剂，点火药为黑火药，采用单个点火器且安装在低燃温燃气发生器的头部，主装药采用管状内孔燃烧形式，外圆柱面及前后端面包覆。使点火药燃气充分流经药柱表面，以对流、冲击等形式进行热交换，保证了低燃温燃气发生器的点火可靠性。

低燃温燃气发生器的点火试验装置如图1所示，被测试的低燃温燃气发生器通过夹具固定连接在铁制的试验台上，低燃温燃气发生器燃烧室外壳预留测压孔，采用ZQ-Y1型压力传感器，使用预紧扭力扳手安装，安装完毕后连接测试线，通过多通道瞬态记录仪采集数据。瞬态记录仪全程记录燃气发生器内压力随时间的变化情况。

图1 低燃温燃气发生器试验装置实物图Fig.1 Photo of experimental setup of gas generator with low combustion temperature

3 试验结果与分析

在其余部件相同且试验条件相同的情况下设计低燃温燃气发生器1和2，低燃温燃气发生器1的主装药顶端垫4片2mm厚的绝热橡胶环，低燃温燃气发生器2的主装药底端垫4片2mm厚的绝热橡胶环，结构示意图见图2。先后进行点火试验，低燃温燃气发生器1点火成功，正常工作；低燃温燃气发生器2主装药未能成功点燃，未正常工作。试验中测得500ms内的p——t曲线对比见图3。

图2 低燃温燃气发生器结构对比图Fig.2 Structure comparision chart of low combustion temperature gas generator

图3 低燃温燃气发生器p——t曲线Fig.3 p——t curve of gas generator

从图3可知，在40ms内两个燃气发生器的p——t曲线相差不大，且点火压强峰亦无大的差别，160ms时燃气发生器1燃烧室内压强下降到4MPa左右，成功点燃主装药，开始正常工作；燃气发生器2中主装药未能正常燃烧，220ms时燃烧室内压强下降为0。

两个低燃温燃气发生器使用了相同的低燃温推进剂，采用了相同的点火器，且点火器的安装位置和数量相同，点火药量和点火药的性质也相同；在基本相同的外部条件下进行点火试验，外部环境的温度和湿度以及主装药的初温也相同。而唯一的差别是4片2mm的绝热橡胶环安放位置的不同，从而造成了燃烧室内主装药和点火组件的相对位置的变化，降低了点火燃气与主装药表面的对流冲击带来的热交换。

低燃温燃气发生器的点火过程是一个短暂而复杂的过程[4]，实验中采用的低燃温推进剂属于复合推进剂范畴，其燃烧过程大体上可以看作平行层燃烧。复合推进剂在一定压强下可以自持燃烧，而自持燃烧有一个压强下限，若压强低于此限则不能自持燃烧。所以，低燃温推进剂的点火不仅需保证在有效时间内燃烧室内建立起一定压强，并且需要保证点火燃气在药柱表面有足够的滞留时间，以保证点火燃气与主装药表面进行足够的热交换，从而点燃推进剂主装药。

通过上述的分析，为了保证低燃温燃气发生器的点火可靠性，对低燃温燃气发生器的点火器组件进行改进设计，通过改进点火药的结构，增加了点火药的燃烧时间，从而增加对低燃温推进剂药柱的持续供能时间；通过对点火器组件中螺堵的改进设计，增加了点火燃气与主装药表面的对流冲击换热，保证药柱表面迅速地建立起加热层。再次进行了点火试验，结果成功点燃低燃温推进剂装药，低燃温燃气发生器按设计要求正常工作。试验中测得燃烧室内的p——t曲线如图4所示。

由图4可见：（1）测试的点火压强峰值为17.6MPa，点火燃气可靠点燃低燃温推进剂，燃烧室压强经历上升段、工作段和下降段，满足设计要求。（2）p——t曲线与内弹道理论计算的p——t的曲线基本相同。

图4 低燃温燃气发生器p——t曲线Fig.4 p——t curve of low combustion temperature gas generator

4 结 论

通过采用端燃形式的传火药柱以增加点火燃气的持续燃烧时间，保证了点火燃气对主装药的持续作用时间；点火组件中通过设计传火孔及出口处角度，增加了点火燃气与药柱表面的对流冲击换热，有效地解决了低燃温燃气发生器点火难的问题。本研究对今后低燃温燃气发生器点火装置的设计具有一定的借鉴意义。

[1]王光林.固体火箭发动机设计[M].西安:西北工业大学出版社,1994.

[2]拜会平,张晓峰.燃气发生器装药性能影响因素分析[J].航空兵器, 2012(2):47-55.

[3]李庆,李清廉,王振国.燃气发生器结构对燃烧性能的影响[J].航空动力学报,2008,23(11):2 062-2 067.

[4]谷丰,马友林,等.使用缓燃推进剂的小型点火器点火技术研究[J].火工品,2005(2):1-4.