航天火工装置点火输出压力散差的精细化控制

成琦 王帅 胡建举 杨叶



航天火工装置点火输出压力散差的精细化控制

成琦1王帅2胡建举1杨叶1

（1 四川航天川南火工技术有限公司，泸州 646005） （2 中国运载火箭技术研究院，北京 100071）

航天火工装置点火输出及传递的可靠性一般按GJB1307A-2004《航天火工装置通用规范》进行裕度试验，如120%、75%输出能量等。实际验证中，常采用120%装药量、75%装药量进行考核，忽视了点火输出压力散差造成的影响，可能导致该考核失效。文章从点火输出及传递压力一致性的角度，对其关键影响因素进行分析：针对点火输出环节，采用粒度更细的Al/KClO4烟火药改善燃烧性能和增加挡药板约束的方法，成功提高了点火的输出一致性；针对燃烧传递环节，采用更换黑火药粒为药饼和更换赛璐璐为铝箔增加约束的方法，成功提高了燃烧传递的输出一致性。两种方法成功提高了航天火工装置点火输出及传递的精细化控制水平，可有效降低裕度考核失效的可能，保证裕度试验结果的可靠性。

点火 输出 传递 一致性 压力散差 航天火工装置

0 引言

航天火工装置是指航天器中用炸药、发射药和烟火药等驱动的各类功能复杂装置，具有体积小、质量轻、结构简单、可靠性强、能量质量比高、作用迅速等优点[1]，但这类装置为一次性使用，飞行前无法直接进行功能检查，为避免失效，需要发展火工装置的可靠性预测和评估技术[2]。美国曾对火工品可靠性开展了系统的研究工作，并形成了系列的相关标准[3]。我国也形成了以国军标GJB376为代表的计数法，但这种研究方法的缺点是试验样品的数量太大[4]。裕度分析方法因其试验所需产品数量少的优点越来越受到重视。在航天火工装置的设计中进行裕度设计的思路主要基于两点[5]：1）对比产品输出能量和下一级工作所需输入能量，确定产品的功能裕度；2）利用小批量样品统计获得产品功能裕度数据，进而预测产品工作可靠性。文献[6]中对航天火工品按类别介绍了其输出性能试验和作用裕度设计方法，并简述了各种试验方法的应用及其特点。文献[7]根据裕度思想提出了加严考核情况下火工机构可靠性评估方法。国军标GJB1307A-2004《航天火工装置通用规范》要求火工品进行裕度试验需按照120%、75%输出能量进行裕度试验[8]，实际验证中，由于输出能量无法直接设定，常采用120%装药量、75%装药量进行考核。但由于火工药剂自身燃烧精度与点火序列结构的影响，产品输出存在一定散差，即装药量与输出能量并不严格对应。若产品输出散差较大，则可能导致裕度试验不能有效评估产品可靠性，产品虽能通过裕度试验但在使用时仍会出现问题。

1 故障案例概述

航天火工装置的点火输出与传递环节可简化为图1的模型。该模型主要包括点火输出单元和燃烧传递单元，点火输出单元通常由点火器连接下级装药构成，点火器依靠烟火药的燃烧产生高温高压燃气点燃下级装药实现输出；燃烧传递单元主要利用次级装药（如点火药盒）把点火器的输出能量进行放大后，将燃烧传递至下级序列完成点火功能。该模型的可靠性至关重要，任一单元输出异常都会导致产品功能问题，航天火工装置使用过程中曾有许多故障出现在该环节。下面对两起分别由于该模型的两个单元输出压力不达标导致的故障案例进行分析。

图1 典型点火输出及传递环节模型示意

某批微型火箭的点火器未成功点燃药盒，但该型点火器在设计研制过程中按标准及相关技术要求采用75%的小药量进行了裕度试验，均成功点燃药盒，满足国军标裕度试验要求。在故障分析试验时发现，该点火器输出压力散差较大：该点火器输出压力指标为6~14MPa，实测输出的最大峰压和最小峰压分别为8~13MPa，其散差可达平均输出峰压的40%。若75%药量裕度试验状态下产品输出压力为正偏差，而设计药量状态的产品输出压力为负偏差，则可能出现设计药量的输出压力反而小于75%药量裕度试验输出压力的情况，导致通过试验但点火失败。

某多功能展开装置工作时，推杆被意外打出导致产品功能结构被破坏，未完成预定动作。在设计研制过程中按标准及相关技术要求采用120%的大药量进行了裕度试验，产品均正常工作，满足国军标裕度试验要求。再次采用120%大药量进行裕度验证试验时，实测输出压力峰值最大可达200%设计压力，远远超过120%输出能量的设计裕度，说明其输出一致性较差，存在某发产品的输出压力异常升高导致产品结构被破坏的可能。

可以看出，在点火输出及传递环节的点火输出单元和燃烧传递单元任一环节输出压力散差过大，都可能导致裕度试验不能有效评估产品工作可靠性的问题。分别针对两个单元的结构进行分析，提出改进措施，减小输出压力散差，提高装药量与输出能量之间的对应关系，实现产品输出的精细化控制，最终保证裕度试验的有效性。

图2 典型点火器结构示意

2 精细化控制措施分析

2.1 点火输出单元

点火输出单元常用点火器典型结构如图2所示。典型点火器装药一般为起爆药+烟火药（常用Al/KClO4），输出端采用铝箔膜片进行密封。点火器点火后产生的压力是产品设计、制造和验收中的一项最重要技术指标，通常以压力–时间曲线的测试结果来考核其输出特性[8]。对于点火器，影响其输出压力一致性的因素主要包括药剂状态和结构设计两方面。

1）药剂状态。点火器用烟火药Al/KClO4属于混合药剂，在配方确定的条件下，原材料铝粉和高氯酸钾的状态是影响其燃烧性能的重要因素，其中粒度的大小会影响燃烧时原材料间的接触状态、热传递情况、燃速等，是影响输出性能重要因素[9-12]。目前该烟火药使用的原材料铝粉粒径一般为50~100μm，KClO4粒径一般为60~100μm，两种原材料粒度较大，且指标范围很宽，不同批次的药剂差异较大。这种差异导致药剂燃速不稳定，造成不同产品的放热和产气规律有较大差异，输出压力一致性较差。有研究表明，采用更小粒度的铝粉和KClO4可有效提高Al/KClO4燃烧稳定性，但是当铝粉原材料粒径降至纳米级时，由于活性显著降低，其燃烧状态出现了明显变化，输出一致性会受到影响[13-16]。

2）结构设计。目前使用的点火器采用铝箔在输出末端进行约束，铝箔厚度为0.1~0.5mm，约束力较弱。点火器工作时需要起爆药点燃烟火药，在起爆药工作后产生的压力必然会推动烟火药往外运动，部分烟火药未充分燃烧即被冲出，进而导致部分药剂在点火器输出口外燃烧。这种现象改变了烟火药燃烧的环境状态，造成点火输出压力产生较大波动。增加点火器末端约束，防止烟火药在充分燃烧前被冲出，可保证烟火药燃烧状态更稳定，进而提高输出一致性。

2.2 燃烧传递单元

燃烧传递单元是利用点火输出单元的燃烧输出，点燃次级装药（如点火药盒），完成能量放大和输出，实现点燃下级装药的功能。点火药盒的典型结构见图3[17]。

这类点火药盒由易燃的赛璐璐内装烟火药后安装在一定尺寸的支架上组成，其工作后无残余物、消极质量小、无需考虑堵塞等问题，且制造方便、成本较低，在点火设计中被广泛采用[18]。此单元的关键为点火药盒在能量放大过程中燃烧输出的稳定性，其影响因素也主要在于装药状态及结构设计两方面。

1）药剂状态。点火药盒的内装药剂一般为军用黑火药，呈颗粒状松装于药盒内，药剂被点燃后迅速燃烧，稳定性较难控制，虽然点燃下级装药的裕度能满足要求，但压力一致性还具有提升空间。将松装的药粒替换为压装的药饼，通过对装药状态进行调整，改变燃烧状态，避免其受输入能量后迅速燃烧，可以提升其输出稳定性。

2）结构设计。次级装药（点火药盒）的结构设计，如材料特性、结构参数等会对其输出压力一致性产生较大影响。目前点火药盒盖、壳多使用赛璐璐材料，药盒的工作过程为赛璐璐先被击破，内装黑火药再被点燃。由于赛璐璐为非金属材料，强度一致性相对较差，约束强度较低，点火后部分药剂冲破外部约束后再实现燃烧输出，燃烧状态具有不可控性，即使满足点火裕度要求，仍需通过改进结构和材料进一步提升一致性。采用约束较强的多孔挡药板结构进行约束，避免药剂燃烧时被随机性冲出，可保证药盒的输出一致性。

3 验证试验及分析

3.1 点火输出单元

分别对原状态、更改药剂状态和更改装药结构状态的点火器进行发火试验，通过对比三种状态下点火器的压力–时间关系，验证药剂更改措施和装药结构更改措施的效果。

图3 点火药盒典型结构示意

（1）原状态点火器

取5发典型点火器，在10mL测压弹上进行定容点火压力–时间输出性能测试，点火输出压力数据见表1，输出压力曲线见图4。

由表1可看出原状态下点火器输出压力变化范围较大，散差波动幅度接近平均值的±36.5%，峰压虽处于8~14MPa的指标范围内，但已接近指标上下限，说明药剂在点火器内的燃烧一致性较差。

表1 典型点火器原状态下输出压力

Tab.1 Small particle size raw material pharmaceutical output pressure

图4 点火器典型输出压力曲线

图4中出现两个产品输出压力增加的区域，分别划分为A区和B区。从A区可看出点火器点火后输出的峰压差异很大，理论上点火器的输出压力达到峰压后呈逐渐减缓的下降趋势[19]，但图中B区有3发产品压力出现了再次上升的现象，且A区峰压越小则B区压力上升情况越严重，推测此情况是点火器内烟火药在燃烧前就被喷出装药室，在测压容器内缓慢燃烧造成的。实际使用中，该情况直接影响下级装药的能量输入状态，降低了点火稳定性。

（2）药剂状态验证

对点火输出单元常用的Al/KClO4药剂进行研究，重点对原材料铝粉和KClO4药剂的粒度进行控制，采用典型点火器结构进行验证。原状态的点火器所用铝粉粒径在50~100μm，KClO4粒径在60~100μm，粒度分布指标较宽，且粒径较大。将两种原材料粒径控制到5~20μm制备Al/ KClO4药剂，并装配15发产品，在10mL测压弹上进行点火输出压力测试，点火输出压力数据见表2，输出压力曲线见图5。

表2数据表明，对原材料粒度进行控制后，点火器输出压力变化范围较小，散差波动幅度仅为平均值的±14.3%，输出压力一致性有所提升。从图5可以看出，所有点火器压力–时间曲线一致性明显提高，在点火初期迅速达到峰压，峰压大小和时间都很接近，之后压力呈逐步减缓的衰减趋势，未出现二次升压情况。

但并非原材料粒度越小，药剂输出压力一致性越高。当铝粉原材料粒径降至纳米级时，由于活性显著降低，其燃烧状态出现了明显变化，输出一致性会受到影响[11]。

表2 小粒径原材料药剂输出压力

Tab.2 Small particle size raw material pharmaceutical output pressure

图5 小粒径原材料药剂输出压力曲线

（3）结构设计验证

结构设计方面，优化密封方式，采用约束较强的多孔挡药板结构对药剂燃烧施加约束，避免药剂在燃烧过程中被随机性冲出，提高点火输出一致性。结构如图6所示。

图6 多孔挡药板约束结构示意

图7对比了采用多孔挡药板前后的点火器高速摄影火焰状态。改进前状态下，火焰中夹杂有分布不均的火星，增加约束结构后火焰无分散火星，说明药剂被有效约束，输出的燃烧火焰稳定性得到提高。

图7 采用多孔挡药板约束结构前后输出火焰状态

取10发增加了挡药板的点火器在10mL测压弹上测量输出压力，统计结果如表3所示，输出压力曲线见图8。

由表3及图8可以看出，采用多孔挡药板对点火器输出端进行约束后，输出压力变化范围较小，散差波动幅度仅为平均值的±6.5%，输出压力一致性有所提升。图8中点火器输出压力曲线一致性保持的很好，没有出现二次升压情况。

表3 多孔挡药板约束结构输出压力数据

Tab.3 The pressure data of the structure restrained by porous baffle plate

图8 多孔挡药板约束结构输出压力曲线

3.2 燃烧传递单元

分别对原状态、更改药剂状态和更改装药结构状态的点火药盒进行发火试验，通过对比3种状态下点火药盒的压力—时间关系，验证药剂更改措施和装药结构更改措施的效果。

（1）原状态药盒

取8发目前结构的点火药盒，在10mL测压弹上进行输出压力测试，输出压力压力数据见表4，曲线见图9。

表4 压装药饼药盒输出压力数据

Tab.4 Pressure data output from pressure cartridge

图9 点火药盒典型输出压力曲线

虽然表4中药盒输出峰压散差约为平均值的±25%，但从图9可以看出，不同药盒燃烧曲线差异非常大，峰压对应的时间各不相同，即药盒在最大压力时燃烧状态各不相同。图9同样分为两次升压阶段，在此分别划分为A区和B区。A区的压力曲线表明点火药盒在燃烧初期20ms内压力瞬间迅猛上升再下降，且不同药盒上升情况差异很大，峰压分部范围约0.6~1.3MPa，之后进入图中B区输出压力再次缓慢上升，且A区峰压越小则B区峰压上升越明显，在大约300ms时，药盒输出压力均分布在1.0~1.2MPa区间，之后压力逐步下降。整个药盒完成升压的时间约为400ms，但是在点火初期药盒会突然输出瞬时压力冲击，且不同产品的瞬时峰压差异明显，最大峰压可达最小峰压2倍以上，由于此时药盒还未完全燃烧，输出热量较少，强烈的冲击很可能对下级序列造成影响[20]，甚至破坏下级序列的结构，降低点火可靠性和安全性。

（2）装药状态验证

将松装的药粒替换为压装的药饼，通过对装药状态进行调整，进而改变燃烧状态，10mL测压弹上验证装药状态对输出压力一致性的影响。压装药饼的某点火药盒输出压力数据见表5，压力曲线见图10。

表5 压装药饼药盒输出压力数据

Tab.5 Pressure data output from pressure cartridge

图10 压装药饼药盒输出压力曲线

从研究结果可知，压装黑火药的点火药盒输出压力变化范围较小，散差波动幅度仅为平均值的±6.9%，输出压力一致性有所提升。从图10中的输出压力曲线还可看出，改进装药后的药盒燃烧初始峰压较低，呈现一个缓慢增压的过程，稳定性较好。

（3）结构设计验证

将次级装药的点火药盒和盖材料由赛璐璐改为铝箔片，并采用多孔的支撑结构对燃烧药粒进行有效约束，避免药剂被冲出药盒后随机燃烧，保证输出压力的一致性。改进后结构如图11所示，实物见图12。

图11 点火药盒改进后结构示意

图12 改进后点火药盒实物图

采用内装相同的松装药粒的方式，分别取5发改进前、后的次级装药（点火药盒）进行输出压力测试，并对比测试数据，结果见表6。

从表6数据可看出，结构改进后的次级装药（点火药盒）其输出压力一致性得到提升，输出压力的波动范围变小，散差波动幅度由改进前平均值的±42%缩窄为改进后平均值的±17%。压力成长时间也呈现类似规律，一致性得到提高。

表6 药盒结构改进前后发火数据对比

Tab.6 Comparison of ignition data before and after the structure improvement of the cartridge

4 结束语

本文基于航天火工装置的典型问题进行分析，找到影响输出压力一致性的因素。针对点火输出环节，对点火器常用的Al/KClO4药剂原材粒度进行控制、对点火器输出端约束结构进行优化，提高点火输出压力一致性，提升精细化控制水平。具体措施包括：1）减小原材料平均粒径，缩窄粒度范围。原材料铝粉的粒度由50~100μm控制为5~20μm，KClO4的粒度由60~100μm控制为5~20μm，提升药剂燃烧稳定性，提高输出压力一致性；2）优化点火器输出端约束结构。点火器输出端约束结构由铝箔薄片弱约束优化为多孔结构挡药板强约束，提升药剂燃烧充分性，提高输出压力一致性。针对燃烧传递环节，对次级装药（点火药盒）的装药状态进行控制、对结构进行优化，提高燃烧传递环节输出压力一致性，提升精细化控制水平，具体包括：1）将装药状态由散装药粒调整为压装药饼，提升药剂燃烧稳定性，提高输出压力一致性；2）将赛璐璐结构调整为多孔金属支架结构，提升药剂燃烧充分性，进而使输出压力一致性得到提高。通过对上述环节的验证，获得了提高输出压力一致性的控制措施，达到了提高航天火工装置点火输出及传递可靠性的目的，为现有产品的改进和新产品的设计提供了借鉴。

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High Precision Control of Ignition Output and Transmission of Space Pyrotechnic Device

CHENG Qi1WANG Shuai2HU Jianju1YANG Ye1

（1 Sichuan Aerospace Chuannan Pyrotechnic Technology Co. LTD, Luzhou 646005, China） （2 China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100071, China）

The reliability of output and transmission of space pyrotechnics is generally tested in accordance with GJB1307A-2004 General Specification For Space Pyrotechnics, such as 120%, 75% output energy, etc. In actual verification, 120% charge and 75% charge are often used for assessment, ignoring the influence of ignition output pressure dispersion, which may cause the assessment to fail. In this paper, the key influencing factors of ignition output and transfer pressure consistency are analyzed from the point of view of ignition output and transmission pressure consistency. Two methods above improve the fine control level of ignition output and transmission of aerospace pyrotechnics. It can effectively reduce the possibility of the failure of the margin assessment and ensure the reliability of the margin test results.

ignition; output; transmission; consistency; pressure deviation; space pyrotechnics

V464

A

1009-8518(2019)03-0005-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.002

成琦，男，1971年生，2004年获南京理工大学兵器科学与技术专业工程硕士学位。正高级工程师，研究方向为航天火工技术。E-mail：13882788700@139.com。

2019-01-12

国家重大科技专项工程

（编辑：夏淑密）