端燃药柱药面点火引燃过程试验①

吴 敏，王小波，何 君，王文博，占明明

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

0 引言

点火是固体火箭发动机工作的第一步，点火是否正常对发动机起着至关重要的作用。在火箭发动机及燃气发生器设计中，自由装填药柱为最常见的一种药柱结构形式，端面燃烧则为自由装填药柱最简单的燃面药型结构，在低燃速或不易点火的配方中，通常是在药柱端面增加沟槽或矩形槽，以扩大初始燃面，达到快速建压的目的。根据不同产品的点火试验结果，发现无法实现快速建压至设计平衡压强，通常存在0.05～0.8 s或更长时间逐步建压的过程。根据结果分析认为，主因是初始燃面无法瞬间全面点燃引起的，当最初的药面着火位置点存在较大的散差且再经过较长时间才引燃其余药面时，会导致整个工作时间内压强曲线与预示曲线存在较大偏差，引起产品性能出现较大的波动性，甚至可能达不到预定的设计功能。

相关点火过程研究成果[1-3]只是开展及总结了不同的点火药量、不同药型结构的点火对比试验，以及采用数值仿真[4-5]等技术模拟点火过程，所得结果与结论也相差颇大。文献[6]重点强调了装药结构是影响发动机点火过程的主因，文献[2]提出采用小粒径点火药、减短点火药燃烧时间的方法。根据多个型号研制经验判断，文献中的方法均具有很大的局限性，或只针对某一类装药有适用性。随着近几年技术水平的提高，已经可通过采用透明窗发动机试验[6]或X射线成像观测药面[7]等方式，但在密闭容器中，也只能观测到燃面轮廓的退移过程，由于点火引燃药面的时间极短，仍无法观测到初始药面的点火引燃过程。

为克服无法观测的问题及探索药面的点火引燃-燃面扩展过程，采用在大气条件下对端燃药柱进行点火试验，通过高速摄像获得较理想的试验结果，发现燃面未出现快速蔓延式的扩展到整个药面，以及通过分析讨论，进一步解释了点火源数量是引起点火延迟差异性的主要原因[8-10]。

1 点火试验方案

点火试验方案包含试验条件、引燃方式与药柱性能。点火前的试验状态见图1(a)，点火瞬间见图1(b)，并定义为第1帧。

(a)点火前的试验状态 (b)点火引燃瞬间

(1)试验条件。将药柱放置在大气中点火，采用高清摄像机远距离对试验观测录像；试验装置下方放置钢板尺，用于比对任意时刻的火焰宽度；为便于观测火焰扩展到药柱最大外径边沿时的状态及后续的退移过程，切除距药柱端面12 mm的侧边限燃层。

(2)引燃方式。本试验共考虑了两种点火方案：1)电点火头+烟火剂组成的药包；2)采用电点火头单独点火。两种方式均是粘贴在药面中心，用于点火引燃。由于该试验为开放空间，药包着火瞬间炸开飞离药面形成大量烟尘不利于初始观测效果，同时避免大量炽热颗粒落在药面上引起药面多点着火。由于采用了极易着火引燃的配方，最终选用了单独的点火头布置在药柱表面中心。

(3)药柱性能。采用极易燃烧的无金属粉HTPB/AP配方；φ153 mm端燃药柱、药柱净直径为φ147 mm；BSF75燃速r8MPa=34 mm/s；推进剂热分解温度为237 ℃，在大气中药柱的燃气理论温度约为1500 ℃。

2 试验情况分析

2.1 端面火焰扩展情况

为对比与区分任意时刻的火焰宽度，图2(a)表示在点着火且正常燃烧后的第2帧(2/25 s)为开始0点，后续每隔2.0 s截图，形成0～10 s的燃烧状态见图2。

由图2可看出，火焰根部宽度随时间逐步增大，其余燃面在长时间内未被高温火焰的辐射提前引燃。着火后10.68 s，侧边剥离区开始穿火，侧边穿火瞬间相邻2帧(时间差为1/25 s)的火焰见图3。

(a)0.0 s (b)2.0 s (c)4.0 s

(d)6.0 s (e)8.0 s (f)10.0 s

(a)1 s (b)25 s

2.2 侧边火焰退移情况

以穿火瞬间(图3)为起点，每隔0.5 s的火焰变化及侧边退移过程见图4。从图3和图4可看到，燃面边界几乎同步扩展到药柱外径上；从图4可看到，侧边环形药面随着时间变化呈现出匀速退移现象。

2.3 火焰宽度测量分析

录像显示火焰为圆柱形向外逐渐扩展，根据钢板尺、药柱尺寸、火焰宽度的对应关系，在距药面上约5 mm处测量火焰宽度，经对前11 s的图片进行数据处理，换算后的火焰宽度随时间变化见图5。

(a)0.5 s (b)1.0 s

(c)1.5 s (d)2.0 s

图5 火焰宽度随时间变化趋势

从图5变化曲线可看出，药柱火焰在前0～7 s为匀速向外扩展，线性相关系数R=0.998 8；后4 s火焰宽度的扩张斜率略为增加，有两种影响因素：(1)是后4 s的火焰边界较模糊，导致定位火焰边界的位置不准确；(2)高温燃气对药面较长时间的加热，引起燃速略有增加。从0～11 s的火焰宽度变化的线性相关系数为R=0.983 7，表明药面在燃烧过程中是均速扩展趋势，平均燃速约为6.35 mm/s。与静态药条在0.2～0.5 MPa的燃速对比，可得到推进剂在低压区n≈0.383，仍符合指数与燃速变化规律。药面在长达11 s的燃气烘烤下，并未出现快速蔓延式的扩展到整个药面，表明药面的引燃是从单点燃烧逐渐扩散到整个药面的过程。

3 结果与讨论

3.1 火焰对药面的热辐射与传导

根据药柱燃烧实物，提取其中第6 s时刻火焰与药面形成的高温火焰边沿与药面的包络区模型尺寸，建立火焰对药面形成的辐射与经空气传导进行仿真分析模型。

保持模型不变，分别分析1、5 s时刻瞬态辐射与热传导的模型温度变化与药面温度分布见图6。

(a)模型温度变化

(b)药面温度分布

从图6中可看出，药面温度在径向上快速下降至200 ℃以下，距火焰边界0～3 mm的药面温度分布曲线中0.5 mm处温度只有233 ℃(1 s)、408 ℃(5 s)，1 mm处只有76 ℃(1 s)、224 ℃(5 s)，表明药面在极端的烘烤下，也只有临近火焰边界0.5 mm范围内烘烤1 s以上时，才超过推进剂的热分解温度，达到5 s左右时，才会达到药柱的临界着火温度550～750 K。

根据仿真分析表明，火焰的辐射与经空气传导到局部药面的温度远小于推进剂的热分解温度。考虑到药面在燃烧退移，只要推进剂的燃速大于0.5 mm/s，就不会出现因辐射及经空气导热将临近火焰边界区域内的药面引燃；只有高温热燃气流经药面时，药面才会被加热引燃。

有部分发动机出现长达数秒的点火延迟期内均有火焰持续从喷管喷出而未能建压的现象，该现象也佐证了该分析结果。将该分析结果进一步推广到具体产品中的药型有深孔设计时，该深孔内的燃面无法被快速引燃。

3.2 多点引燃药型变化曲线

该试验是有意只形成了一个燃烧起点，发现燃面从中心向四周的退移速度为均值。根据燃速、时间变化可得出，当燃烧至侧边时中心会形成约73.5 mm深坑，该点火位置形成的深坑将严重影响到预定燃面的变化趋势及预期目标。

保持主装药、喷管、空腔体积等为同一设计状态，对同一药面建立不同点火源数量的分析模型，每个点火源用R=1 mm的半球代替，多点均匀分布在药面上，燃面按照惠更斯原理逐渐扩大，图7模拟了在药面上有不同数量点火源时的压强爬升情况。

图7 不同点火源的压强曲线

图7中压强曲线是只考虑由点火源的燃面扩大形成的压强爬升曲线。从模拟曲线可看出，初始建压爬升过程与各类真实发动机的试验结果有高度的相似性。只要同时形成91个点火源，即可实现点火延迟时间控制在0.1 s内。

真实发动机中当建立到一定压强(如0.2 MPa)以及热燃气流动加热引燃其余未燃药面，则表现为更加快速的压强上升过程，真实情况下多个点火源可任意分布在药面上，可达到相同的效果。从药面多点点火仿真模拟压强曲线表明，建压曲线存在明显差异时，可确定是药面上的点火源数量不一致引起的。

3.3 堵塞的作用

本试验中只有一个炽热颗粒存留在药面中心引燃药面，在真实发动机中，点火药会形成大量的炽热颗粒随机喷撒在药面上，或同时被点火药的燃气带出喷管。通过对药面引燃过程的分析与讨论，可进一步分析得到喷管堵塞的两点主要功能：增加喷管耐压堵塞可建立适当的爆破压强，其主要作用只是防止炽热颗粒顺着点火药形成的气体吹出喷管而未能附着在药柱表面上，只有大量的炽热颗粒散落且附着在药柱表面上时，才有可能快速稳定地点火；次要作用是将高温燃气滞留在药面上，进行更充分的对流换热引燃药面。

4 结论

(1)端燃药柱的点火方式、着火位置将严重影响到药柱的燃面模型的变化趋势与预期目标。

(2)本试验中药面的初始引燃过程是从着火点向周边扩散；在一定的时间内、超出火焰边界的某一空间范围后，火焰的辐射与经空气热传导到药面的温度均小于推进剂热分解温度，无法引燃推进剂。在具体的产品设计时，需要考虑如何从点火设计上让点火药的高温热燃气流经药面时，通过对流换热实现药面的快速点燃。

(3)增加点火药中可附着在药面上的炽热颗粒物，且尽量均匀分散在药面上，可改善药柱点火性能，同时也可获得与理想燃面变化趋势较相近的预期效果。

(4)喷管堵塞的主要作用是提高炽热颗粒附着在药面上，可缩短着火时间与提高着火的稳定性。

固体火箭发动机点火过程是一个复杂的、瞬态的物理-化学变化过程。本文采用在大气常压条件下对端燃药柱的点火引燃过程进行观测试验，可能与密闭高压条件下点火与真实发动机点火过程存在较大的差异性，本文的点火引燃过程试验结果可为固体发动机的点火设计提供参考。