小型发射级固体火箭发动机点火性能试验研究

李 建，吴飞春，刁吉阳，张 建，徐秋丽



小型发射级固体火箭发动机点火性能试验研究

李 建，吴飞春，刁吉阳，张 建，徐秋丽

（上海航天动力技术研究所，上海，201109）

为研究小型发射级固体火箭发动机点火性能的影响因素，通过单项点火试验，测试了点火瞬态过程中有无高能点火药、点火药颗粒大小以及点火药在药盒中不同放置情况等状态下的点火压强曲线，并与发动机地面试车试验进行对比。结果表明：有无高能点火药和点火药在药盒中放置情况对点火性能有较大的影响；点火药颗粒大小对点火性能基本无影响。说明单项点火试验可为小型发射级固体火箭发动机点火性能的研究提供依据。

点火器；固体火箭发动机；点火性能；点火药；粒度

小型发射级固体火箭发动机作为动力反推装置被广泛应用在单兵便携式防空导弹型号中，具有工作时间短、工作可靠性高等优点，对其点火延迟时间和点火初始压强有较高的要求。国内外研究人员对发动机点火过程进行了大量的试验和理论研究，并建立各种点火模型[1-3]。一般来说，在发动机主装药确定以后，影响点火过程的主要因素是点火能量，点火能量与点火药的种类、点火药的颗粒度、点火药量以及点火药在药盒中的放置情况等密切相关。点火能量过低，将导致药柱局部表面无法点燃，从而使药柱无法点燃或点火延时过长；点火能量过大，将导致发动机点火初始压强峰过大，影响发动机的性能和壳体强度[4]。目前常用的点火药有黑火药、镁/聚四氟乙烯高能点火药以及硼/硝酸钾等。

笔者结合工程实际，用模拟容器作为试验装置进行单项点火试验，测试点火过程的压强——时间曲线，分析发动机点火延迟时间、点火压强与点火药的关系，并结合发动机地面试车试验进行对比分析，为研究发动机点火性能提供依据。

1 试验装置

某小型发射级固体火箭发动机为使点火压强迅速建立，缩短点火延迟时间，喷管堵盖打开设计压强较大，仅靠点火器工作燃气压强不足以使堵盖打开，因此单项点火试验可在密闭的试验装置中进行。典型的发射级固体火箭发动机采用自由装填式装药，装药为端面燃烧，点火方式为头部点火。根据发动机的结构特点，设计了图1所示的单项点火试验装置。试验装置壳体为不锈钢材料，内腔与发动机状态一致；模拟药柱为不可燃的胶木棒加工成型，与真实药柱尺寸相同；喷管为试验闷头；点火器为不同点火药种类、不同点火药量以及不同点火药放置位置等多组产品。

图1 试验装置

由于发动机直径和轴向尺寸较小（均在70mm以内），压力传感器安装位置对测得的压强——时间曲线没有影响，为了便于加工和安装，压力传感器安装在发动机头部[5]。

2 单项点火试验与分析

2.1 有无高能点火药对点火性能的影响

采用点火药为1.6g HY4黑火药+0.4g镁/聚四氟乙烯高能点火药和1.6g HY4黑火药两个状态的点火器，在试验装置中进行常温单项试验，试验曲线如图2所示。

图2 有无高能药的点火器点火压强曲线

从图2中可以看出，无高能点火药的点火器其点火延迟时间比有高能点火药的时间长4～6ms，在点火初期20ms内，升压速率没有明显差异；当工作20ms后，有高能点火药的点火器压强持续增强，没有高能药的点火器压强则下降后再缓慢升高；在点火延迟时间点后20ms时，无高能点火药的点火器比有高能点火药的点火器点火压强小2MPa左右。

在相同黑火药药量下，混合0.4g高能点火药，可增加点火的持续性和降低点火性能的离散性。因此，设计点火器时，在初始压强允许的条件下，可用高能点火药作为主点火药的补充，有效缩短点火延迟时间，提高点火性能。

2.2 点火药颗粒大小对点火性能的影响

HY-5黑火药的粒度比HY-4黑火药略小，燃烧时燃面稍大，一般来说，相同药量下点火器中HY-5黑火药的最大压强比HY-4黑火药的最大压强略大。

采用点火药为1.6g HY4黑火药+0.4g镁/聚四氟乙烯高能点火药和1.6g HY5黑火药+0.4g镁/聚四氟乙烯高能点火药两个状态的点火器，在试验装置中进行常温单项试验，试验曲线如图3所示。

图3 不同点火药颗粒的点火器点火压强曲线

两种不同点火药颗粒状态，相同点火药量下（总药量为2.0g），在模拟容器中的最大压强为8.438～9.128MPa，点火延迟时间为6.7～8.6ms ；点火延迟时间点20ms后的压强在6.28～7.35MPa，装填两种不同颗粒度点火药点火器的点火性能无明显差异。说明对于该小型发射级固体火箭发动机，点火药颗粒大小不会影响点火性能。

2.3 点火药的放置对点火性能的影响

采用1.6gHY4黑火药，将点火药平铺放置在药盒底和堆放在药盒一侧，在试验装置中对这两种状态的点火器进行常温单项试验，试验曲线如图4所示。

由图4可以看出，点火药集中放置在药盒一侧时点火器的点火延迟时间比点火药平铺在药盒底的点火延迟时间短4ms左右；两种状态点火器在点火初期20ms内，升压速率无明显差异，在点火延迟时间点后20ms内的点火性能无明显差异。

图4 点火药不同放置方式下的点火器点火压强曲线

在相同点火药量下，当点火药集中放置时，点火器点火延迟时间较点火药平铺分布时要短，且对点火器后续点火性能没有影响。因此，在点火器设计时，可以通过改变点火药的分布解决点火延迟时间长的问题，提高点火性能。

3 单项点火试验与发动机点火试验对比分析

将点火药为1.6g HY4黑火药+0.4g镁/聚四氟乙烯高能点火药的点火器，配套用于发射级固体发动机中，进行了高温、常温、低温共6发地面试车试验，采集点火延迟时间，并与单项点火试验数据进行比较，试验数据如表1所示。由表1可以看出，在相同温度条件下，单项点火试验和发动机地面试车试验的点火延迟时间基本相当。

表1 单项点火试验和地面试车试验数据

Tab.1 Comparison of single factor ignition test and ground ignition test results

通过点火器单项点火试验与发动机点火试验结果的比较，可以看出点火器单项点火试验结果从很大程度上能够反映点火器在实际发动机中的工作过程，以及对发动机点火性能产生的影响，验证了单项点火试验在小型发射级固体火箭发动机点火设计中的必要性和可行性，说明可以根据单项点火试验结果对发动机点火性能做出预先判断。

4 结论

针对小型发射级固体火箭发动机，在密闭模拟容器中进行点火器单项点火试验，研究了点火药种类、点火药量以及点火药放置情况对点火性能的影响，结合发动机地面试验，可以得出以下结论：（1）在点火初期，有、无高能点火药对升压速率无明显影响；在相同黑火药药量下，有适量的高能点火药填充空隙，可缩短点火延迟时间、增加点火的持续性以及减小点火性能的离散。（2）相同药量下，不同颗粒大小的点火药对小型发射级固体发动机的点火性能无明显影响。（3）点火药集中放置于点火器中，可有效缩短点火延迟时间，提高发动机点火初期的点火性能。（4）在相同温度条件下，说明单项点火试验和发动机地面试车试验的点火延迟时间基本相同，单项点火试验可为发动机点火性能做出初步的预判，为小型发射级固体火箭发动机的设计提供依据。

[1] 张秋芳,等.单项点火试验在小型固体发动机点火设计中的应用[J].火工品,2006(3):5-8.

[2] 刘赟,等.点火过程对小型固体火箭发动机内弹道影响[J].含能材料,2013(1):75-79.

[3] 孙丕忠,等.微小型固体火箭发动机点火特性试验[J].国防科技大学学报,2000(5):23-25.

[4] 鲍福廷,侯晓.固体火箭发动机设计[M].北京:中国宇航出版社,2016.

[5] 王琦,等.某固体燃气发射器输出压力测试中传感器的选择与安装[J].火工品,2017(5):46-49.

Experimental Investigation on Ignition Performance of Small Launching-usage Solid Rocket Motor

LI Jian，WU Fei-chun，DIAO Ji-yang，ZHANG Jian，XU Qiu-li

(Shanghai Institute of Space Propulsion Technology , Shanghai，201109)

In order to study the influence on ignition performance of small launching-usage solid rocket motor, through single factor ignition test, the pressuretime curves were tested, under the conditions of adding high energy ignition powder, changing the particle size of ignition powder, as well as changing the ignition powder placing position. Meanwhile, the test results of single factor ignition were compared to that of actual ignition test. As a result, the existence of the high-energy ignition powder and the placing position have significant effect on the ignition performance, while the effect of ignition powder particle size isn’t obvious. The single factor ignition test provides reliable ignition performance for the optimal design of small launching-usage solid rocket motor.

Igniter；Solid rocket motors；Ignition performance；Ignition powder；Particle size

1003-1480（2018）03-0006-03

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.002

2018-01-12

李建（1985 -），男，工程师，主要从事固体火箭发动机设计研究。