增程炮弹火箭发动机点传火研究

刘君阁，赵变玲，孙振兴



增程炮弹火箭发动机点传火研究

刘君阁，赵变玲，孙振兴

（辽宁北方华丰特种化工有限公司，辽宁 抚顺，113003）

为使增程炮弹火箭发动机可靠、平稳工作，提出了一种后置射流点火具（锆系药）点燃前置射流点火具（锆系药）的点传火技术，进行了点传火系统总体、前置射流点火具、后置射流点火具、点火、传火及装药设计，进行了点火具射流长度、射流时间、射流流量、静态、动态及点传火系统——曲线等对比测试。试验结果表明：射流点火具（锆系药）具有输出性能稳定、射流流量较大的射流点火特性，在点传火系统中能使前置射流点火具（锆系药）迅速稳定建压，输出较大、稳定的射流流量，使火箭发动机稳定工作。

射流点火具；点火；传火；射流流量；——曲线

为提高炮弹射程，通常在弹尾增加底排和火箭发动机，这种炮弹称之为底排火箭复合增程弹。底排和火箭发动机的工作稳定性直接影响增程弹的射程和密集度，而火箭发动机的点传火性能直接影响火箭发动机的工作稳定性。

对于增程炮弹火箭发动机的点火有两种形式：一种是药盒式点火，另一种是射流点火具点火。研究结果表明，射流点火具能可发靠点燃火箭发动机，射流点火具的工作曲线与火箭发动机的工作曲线拟合光滑、平稳，发动机工作稳定[1]。对于增程炮弹火箭发动机的点传火也有两种形式：一种是（延期）点火具点燃后置药盒，后置药盒再点燃前置药盒（前置药包），其综合能量点燃火箭发动机装药；另一种是（延期）射流点火具点燃前置药盒（前置药包），其综合能量点燃火箭发动机装药。

本文通过分析对比后置、前置两种射流点火具在不同种类药剂条件下的射流性能，提出了后置射流点火具点燃前置射流点火具的点传火系统方案，并经过输出性能测试，验证了点传火系统作用可靠性，为增程炮弹火箭发动机可靠、平稳工作提供技术参考依据，在一定程度上保证了增程炮弹的射程可靠性和密集度。

1 设计

1.1 点传火系统

进行了增程炮弹火箭发动机点传火系统原理性结构设计，如图1所示。

图1 点传火系统原理性结构图

图1所示的点传火系统结构由管体、前后2种座体、2种射流点火具或前置药包组成，2种射流点火具的距离为200mm、管体内径为15mm。在炮弹总体设计中，后置射流点火具位于火箭发动机喷喉部位。

点传火系统作用原理为：外界火焰通过传火孔点燃后置射流点火具，后置射流点火具工作后输出射流点焰前置射流点火具，前置射流点火具工作后输出较大流量射流，进而点燃火箭发动机装药，使火箭发动机工作。

1.2 后置射流点火具

后置射流点火具由管壳、绸垫、点火药和闭气片组成，结构见图2。

图2 后置射流点火具

图2中点火药Ⅰ为硼系药，用于接收外界火焰能量，燃烧并点燃点火药Ⅱ；点火药Ⅱ为锆系药（药量1.8g）或镁系药(1.2g)，点火药Ⅱ为环形装药，药柱中心有孔，燃烧后形成射流，以点燃前置射流点火具。

1.3 前置射流点火具

前置射流点火具由管壳、绸垫、喷嘴、点火药和惰性药组成，结构见图3。图3中点火药Ⅰ为硼系药，用于接收后置射流点火具输出能量，燃烧并点燃点火药Ⅱ；点火药Ⅱ为锆系药（药量为2.1g），燃烧后迅速形成较大能量射流，使火箭发动机稳定工作。

图3 前置射流点火具

1.4 前置药包

前置药包由绸布、五类黑火药、镁粉和聚四氟乙烯组成，药量1.5g。

2 试验与结果分析

根据炮弹火箭发动机具有高速旋转的工作特性，以及前置射流点火具、后置射流点火具的工作原理，分别进行了后置射流点火具静态点火试验，前置射流点火具的静态和高速旋转下的点火、输出特性试验，前置射流点火具、后置射流点火具匹配性试验，以及后置射流点火具点燃前置药包匹配性试验。试验条件：制式电点火头，发火电流1.2A，常温。

2.1 后置射流点火具静态对比试验

进行了后置射流点火具中点火药Ⅱ为锆系药（药量1.8g）和镁系药(1.2g)的静态对比试验，结果见表1及图4。

表1 后置射流点火具静态对比试验

Tab.1 Static tests results of postpositive jet igniter

注：为射流时间；为射流长度；为射流直径。

图4 后置射流点火具静态试验

表1静态试验结果和图4表明：（1）两种射流点火具平均射流时间分别为249ms和950ms，差异较大，但均有足够的射流点火时间；（2）两种射流点火具射流长度分别为775mm和475mm，差异较大，对于装药长度200mm的火箭发动机，均有足够的射流长度裕度；（3）射流直径分别为20～230mm和20～185mm，差异同样较大，但均大于喷管内径15mm，均有足够的径向点火能力。

虽然这3项性能参数均能满足要求，但射流流量是衡量射流点火具的一个重要参数，装填锆系药的射流点火具平均射流流量为7.2g/s，而装填镁系药的射流点火具平均射流流量仅有1.5g/s。综合分析，射流点火具（锆系药）具有平稳、可靠的射流点火性能。

2.2 前置射流点火具静态、动态试验

动态试验是在变频主轴和变频器试验平台进行的，通过电压调频调整主轴转速，转速设定为18 000转/min。前置射流点火具静态、动态试验各5发，结果见表2及图5。

表2 前置射流点火具静态、动态试验结果

Tab.2 Static and dynamic tests results of propositive jet igniter

注：为射流时间；为射流长度；为射流直径。

图5 前置射流点火具静态和动态试验

表2结果和图5表明：（1）静态和动态试验对射流点火具射流时间基本无影响，平均时间约为350ms；（2）静态和动态试验对射流点火具的射流长度和射流直径有影响，射流长度由静态的1 412mm缩短到动态的1 130mm，射流直径也由静态的92～490 mm减少到84～350mm。分析这种变化的影响因素是来源于静态空气对高速旋转射流构成了较大的空气阻力。

2.3 点传火系统P——t试验

2.3.1前置、后置射流点火具（锆系药）

点传火试验结果见表3及图6。

表3 前置、后置射流点火具（锆系药）——试验结果

Tab.3 P——t curves of propositive and postpositive jet igniter（charged Zr powder）

注：1为后置射流点火具压强与前置射流点火具压强交点处压强；1为从压强开始上升到后置射流点火具压强与前置射流点火具压强交点处时间；2为最大压强；2为从压强开始上升到最大压强时间（以下表中相同）。

图6 前置、后置射流点火具（锆系药）P——t试验曲线

2.3.2 前置射流点火具（锆系药）、后置射流点火具（镁系药）

前置射流点火具（锆系药）与后置射流点火具（镁系药）点传火试验结果见表4及图7。

表4 前置射流点火具（锆系药）与后置射流点火具（镁系药）——试验结果

Tab.4 P——t curves of propositive jet igniter（charge Zr powder）and postpositive jet igniter (charge Mg powder)

图7 前置射流点火具（锆系药）、后置射流点火具（镁系药）P——t试验曲线

2.3.3 前置药包、后置射流点火具（镁系药）

前置药包与后置射流点火具（镁系药）点传火结果见表5及图8。

图8 前置药包、后置射流点火具（镁系药）P——t试验

表5 前置药包、后置射流点火具（镁系药）——试验结果

Tab.5 P——t curves of propositive charge and postpositive jet igniter（charged Mg powder）

2.4 结果分析

对不同点火系统下的试验数据进行统计，如表6所示。

表6 不同点火系统条件下——试验结果统计表

Tab.6 P——t curves of the different propositive and postpositive jet igniters

从表6数据可以看出：（1）序号1的1平均值为1.0MPa，大于序号2及3的平均值0.19MPa和0.32MPa；序号1的1平均值为18ms、偏差为3.0ms，均小于序号2及3的平均值41.7ms和161ms及偏差11.2ms和91ms。后置射流点火具压强开始下降且与前置射流点火具压强上升曲线交点的1和1是火工品点传火一个重要参数，1大小要合适，偏差越小点传火性能越稳定，1越小、偏差越小，点传火性能越稳定。数据表明，用前置、后置两个装填锆系点火药的射流点火具进行点传火，点传火系统建压迅速、一致性好、稳定性强。

（2）序号1的最大平均压强2为1.38MPa，从压强开始上升到最大压强的平均时间为52ms，最大压强偏差和对应时间偏差小，分别为0.14MPa和2.1ms。而序号2、3中用后置射流点火具（镁系药）点燃前置射流点火具（锆系药）或前置药包，最大压强平均值偏小，为0.58MPa，偏差为0.24MPa，或最大压强平均值偏大7.59MPa，偏差为0.61MPa，从压强开始上升到最大压强的平均时间分别为226ms、偏差28ms和274ms、偏差86ms。数据表明，用前置、后置两个锆系药射流点火具进行点传火，点传火系统输出压强稳定、作用时间长短合适且稳定，点燃火箭发动机一致性好、稳定性强，发动机工作稳定。

3 结论

通过增程炮弹火箭发动机点传火研究，得到结论如下：（1）后置射流点火具（锆系药）的射流时间、射流长度、射流直径等性能稳定、可靠，特别是射流流量特性明显，平均射流流量达到7.2g/s，具有显著的射流点火特性。（2）用后置射流点火具（锆系药）点焰前置射流点火具（锆系药）进行点传火，具有显著的射流点传火特性，后置射流点火具压强开始下降且与前置射流点火具压强上升曲线交点的压强大小合适，曲线交点时间为18ms，偏差只有3.0ms，点传火平稳、一致。（3）用前置、后置两个锆系药射流点火具进行点传火，点传火系统输出压强稳定、作用时间长短合适且稳定，点燃火箭发动机一致性好、稳定性强，发动机工作稳定。

[1] 刘君阁,甄家强,齐忠良,等.射流点火具的设计与研究[J].火工品,2013(4):10-14.

[2] 马龙泽,余永刚.底排点火具在大气中燃烧火焰扩展特性[J].含能材料,2017,25(12):983-990.

[3] 蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社, 1999.

Study on Ignition and Burning Propagation of Rocket-Engine of Extended Range Projectiles

LIU Jun-ge，ZHAO Bian-ling，SUN Zhen-xing

(Liaoning North Huafeng Special Chemistry Co.Ltd.，Fushun，113003)

Aimed at the reliable and steady function of rocket engine, a kind of ignition and burning propagation technology based on jet igniter(charged Zr powder) was proposed, the whole system, propositive jet igniter, postpositive jet igniter, ignition, burning propagation and charge were designed, the tests of jet length, jet time, jet flow, static, dynamic, and——curves were also carried out. The results showed that the output performance of jet igniter(charged Zr powder) is stable, and has large jet flow, in the ignition and burning propogation system, the pressure of propositive jet igniter(charged Zr powder) can be established quickly, and has stable large jet flow, which would make the rocket engine work steadily.

Jet igniter；Ignition；Burning propagation；Jet flow；——curves

1003-1480（2018）06-0005-04

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.002

2018-09-21

刘君阁（1960-），男，研究员级高级工程师，从事火工品技术研究工作。