固体火箭发动机聚能射流低易损试验研究

曹军 郭颜红

摘要：      为了解HTPE和HTPB固体火箭发动机在聚能射流条件的低易损性， 设计了某型产品的缩比发动机， 对不同壳体材料、 推进剂类型以及全尺寸的发动机开展了聚能射流低易损性试验研究。 试验结果表明， HTPE发动机的响应等级优于采用HTPB推进剂的发动机， 缩比发动机的对比试验结果能预示全尺寸发动机的低易损性改善趋势， 但与全尺寸发动机的实际响应等级差异较大。

关键词：     固体火箭发动机; 聚能射流; 低易损性; HTPE; HTPB

中图分类号：    TJ763;  V435+.6  文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2019）03-0072-06[SQ0]

0引言

固体火箭发动机因其结构简单、 工作可靠性高、 维护方便、 作战反应速度快等优点， 广泛应用于各类战术导弹[1-3]。 随着现代武器战术性能的提高以及航母战斗力的提升， 未来高科技战争对导弹在生产、 运输、 存储及战场环境下的高生存能力、 高安全性和对周围人员、 物资的低威胁程度提出了越来越多的要求[4]， 同时， 随着高性能机载导弹的需求牵引、 对钝感弹药的重视以及环保意识的增强， 高能量、 低易损性、 低信号特征、 低成本和高可靠性已经成为固体火箭发动机发展的重点和未来发展方向[5]。 低易损性已成为近年来海军弹药的概念性指标， 弹药的低易损性要求固体火箭发动机受到意外刺激（热、 机械、 冲击波等刺激）时， 发动机的危险性响应和随之出现的二次损害要小， 即只燃烧， 不爆炸、 不爆轰。

最新的MIL-STD-2105D， NATO STANAG 4439等文件， 识别了六类典型威胁， 并要求弹药需经过与六类威胁相对应钝感试验考核[6-7]。 研究表明， 钢壳体发动机受破片或射流撞击时， 有爆炸和压力上升引起壳体爆破的倾向。 但不同发动机壳体材料特性对发动机响应等级有较大的影响[8-10]。

国内外发动机低易损研究现状表明， 推进剂中的爆炸组分对发动机在意外刺激条件下的响应程度起着至关重要的作用[11]， 推进剂的配方组成、 能量特性都对发动机响应程度有较大影响。 美国ATK公司研制的改进型“海麻雀”（ESSM）发动机采用HTPE推进剂， 并开展了大量的快烤、 慢烤、 子弹撞击和破片撞击低易损试验， 发动机低易损性得到改善[12]， 对比于HTPB推进剂， HTPE推进剂通过改善自身的热分解特征来消除发动机发生爆燃或爆轰的危险[13]; 带沟槽壳体、 钢带缠绕粘接壳体等设计措施对改善发动机的低易损性有很大的贡献[14]。

通过小尺寸试验一方面可以指导IM配方和装药设计方面的研究， 另一方面也可以对枪击、 射流等过程的机理进行研究[15]。 而聚能射流以更高侵彻能力和更强打击动能逐步被认为是导弹最具潜力的毁伤元之一， 本文根据发动机的TNT当量， 在借鉴MIL-STD-2105D和NATO STANAG 4526[16]的基础上， 优化低易损试验方法，  收集到不同壳体材质、 推进剂类型发动机真实可靠的试验数据， 系统评估出发动机的响应等级， 得出相比于HTPB推进剂， HTPE推进剂对改善发动机的低易损性具有很大的优势， 并设计出一型缩比发动机来评估某型发动机在射流冲击下的响应等级。

1模拟发动机聚能射流试验

1.1聚能射流源

聚能射流冲击试验标准主要以NATO STANAG 4526为主， 射流源为50 mm口径空心装药射流源， 射流粒子束速度V的平方与射流粒子束直径D的乘积V2D>360 mm3/μs2， 射流源的炸高取射流源直径的2倍。 射流源采用8号瞬发电雷管引爆， 见证板采用1 m×1 m×3 mm的薄钢板。

1.2试验方案

国内外研究表明， 发动机壳体材料和推进剂类型是影响发动机低易损性能的两个重要因素。 本文对目前广泛采用的壳体材料30CrMnSiA、 某高强度不锈钢及HTPE和HTPB丁羟两种推进剂进行缩比试验发动机、 某试验发动机的聚能射流试验。

试验方案采用两种不同材料发动机壳体与不同类型推进剂组合， 见表1。 通过分析发动机在聚能射流条件下的试验现象及响应结果， 验证材料的力学性能、 推进剂类型对发动机低易损性的影响， 比较出不同壳体材料、 推进剂类型的发动机低易损性能以及尺寸大小對低易损性评估的影响。

1.2.1缩比试验发动机根据某发动机的工作特性设计出的缩比试验发动机外径160 mm， 全长480 mm， 壳体材料选用常见的30CrMnSiA， 结合发动机工作压强及安全系数得到的壳体壁厚为2.2 mm。缩比试验发动机结构见图1;

材料具体参数见表2;  装药尺寸、 喉径及设计最大工作压强见表3。

1.2.2全尺寸发动机

全尺寸发动机零部件均借用某试验发动机， 发动机直径160 mm， 装药长度1 500 mm，  壳体材料为某高强度不锈钢， 延伸率较30CrMnSiA材料偏低。 发动机结构见图2; 材料具体参数见表4;  装药尺寸、 喉径及设计最大工作压强见表5。

1.3聚能射流低易损试验布置

图3为聚能射流撞击试验装置示意图， 在3个方向布置冲击波超压传感器， 每个方向设置3个压力测点; 在发动机的4侧各放置1块侧见证板; 在距离发动机轴线处对称放置超压传感器; 保证测压传感器、 冲击波传感器的时间原点统一。 通过高速图像及样品下方验证板上凹痕判断发动机是否被引爆而发生反应， 分析在射流撞击下的起爆反应程度及响应情况。

1.4聚能射流试验现象及其分析

1.4.1射流源标定

聚能射流标定试验， 射流源启动后， 射流迅速穿透发动机壳体， 掀起大量尘土， 面向射流的见证板有穿孔及射流散射的痕迹， 距离产品2 m和4 m处均测得超压值， 见表6;  试验现场及残骸情况见图4。

1.4.2缩比试验发动机试验情况

将2块见证板布置在模拟弹中心两侧， 见证板安置于支架上。 两支冲击波超压传感器（量程为1 MPa）布置在缩比发动机的圆周上， 冲击波超压传感器之间夹角为45°。  在缩比发动机预留孔处安装压力传感器， 通过数据采集系统测定缩比发动机响应时的内部压力。 聚能射流试验结果见表7;  试验现场布置及HTPE缩比试验发动机聚能射流试验残骸见图5; HTPB缩比试验发动机聚能射流试验残骸见图6。

1.4.3某试验发动机试验情况

（1） HTPB发动机聚能射流试验

射流源启动后， 射流迅速穿透发动机壳体及药柱， 形成巨大的金属燃烧火球， 推进剂带着火球四处散射， 固定台架严重变形， 发动机残骸仅有发动机头部、 壳体尾端及喷管， 见证板有穿孔及射流散射的痕迹， 无发动机内压数据， 因设备原因未测超压数据， 见表8;  试验现场及残骸情况见图7。

从上述试验现象分析， 侧见证板飞行距离较远， 且其中2块见证板上有细小的穿孔， 发动机壳体以高剪切比的快速变形， 大部分金属壳体消失， 只收集到6块高剪切比残骸， 其中有3块碎片飞行距离超过15 m， 分别为17.8 m， 18.2 m， 22.7 m， 收集到3块残药。 根据试验大纲的响应等级与试验现象对照表综合分析， HTPB发动机聚能射流冲击试验的响应程度判定为部分爆轰。

（2） HTPE发动机聚能射流试验

射流源启动后， 射流迅速穿透发动机壳体及药柱， 形成巨大的金属燃烧火球， 推进剂带着火球四处散射， 固定台架基本完好， 见证板有穿孔及射流散射的痕迹， 无发动机内压数据， 无明显超压产生， 见表9;  试验现场及残骸情况见图8。

根据试验现象综合分析， 发动机聚能射流冲击试验反应后， 推进剂快速消耗， 可见持续燃烧， 有喷射现象产生; 收集到的残药质量合计1.421 kg; 发动机壳体中部破碎成大小不一的碎片， 破碎部分约占整个壳体的13; 发动机响应后无明显超压产生; 侧见证板均无明显弯曲变形， 均有一定的滑移， 其中3块上面各有1个穿孔， 壳体碎片最远飞行36.2 m， 残药最远飞行37.6 m。 HTPE发动机聚能射流冲击试验的响应程度判定为爆炸。

1.4.4试验结果分析

根据试验方案开展了缩比试验发动机、 某试验发动机低易损试验4台次， 试验现象及响应等级见表10。

优于HTPB发动机， 主要原因是同等能量条件下HTPE推进剂的固体含量低、 安全等级高， 并在推进剂配方中进行了D-HMX组分的替换以及添加钝感调节剂。

对比试验方案1和4的试验现象及响应等级， 缩比试验发动机与某试验发动机的响应等级差异较大。 主要原因是随着发动机尺寸的增加， 推进剂发生点火的临界环境温度增大， 发动机响应时间滞后， 推进剂内部积聚的化学能量增加， 能量释放的表象会更强烈。

对比试验方案1～4的试验现象及响应等级， 壳体为30CrMnSiA的发动机响应等级优于某高强度不锈钢材料发动机， 主要原因是30CrMnSiA材料的延伸率远高于高强度不锈钢， 在相同工况下壳体较难形成碎小破片， 有利于发动机响应等级的评估。

2结论

（1） 在聚能射流的外界刺激条件下， 缩比试验发动机（30CrMnSiA/HTPE）的响应等级为爆燃; 缩比试验发动机（30CrMnSiA/HTPB）的响应等级为部分爆轰; 某试验发动机（某不锈钢/HTPB）的响应等级为部分爆轰; 某试验发动机（某不锈钢/HTPE）的响应等级为爆炸。

（2） 在聚能射流的外界刺激下， HTPE发动机的响应等级优于采用HTPB推进剂的发动机。

（3） 在聚能射流的外界刺激下， 缩比试验发动机的对比试验结果能预示某试验发动机的低易损性改善趋势， 缩比试验发动机与某试验发动机的响应等级差异较大。 主要是随着发动机尺寸的增加， 推进剂发生点火的临界环境温度增大， 发动机响应时间滞后， 能量释放的表象会更强烈。

（4） 在聚能射流的外界刺激下， 30CrMnSiA壳体发动机的響应等级优于某高强度不锈钢材料发动机， 原因是30CrMnSiA材料的延伸率远高于高强度不锈钢， 有利于发动机响应等级的评估。

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