为保证固体火箭发动机可靠起动,必须有优质的点火装置。因此,深入地研究点火理论、合理的设计点火装置是十分重要的。

5.1  固体火箭发动机的点火

(1)固体火箭发动机的点火过程

点火过程是指从发动机启动到进入稳定工作之前的一段历程,一般分为三个阶段。

1)当接到发射火箭的指令时,操作人员或自动装置就接通点火电源,发火元件的桥丝发热,点燃了桥丝周围的热敏火药,热敏火药的火焰点燃加强药,这一过程称为发火阶段。

2)发火阶段产生的火焰点燃点火药。点火药燃烧后产生高温高压气体,这种燃气中含有一定数量的炽热粒子,温度约为2500~3000K,压强约为几到几十MPa。

3)点火药燃气与主药柱表面接触,便以对流、导热和辐射方式向主药柱传热,提高了主药柱表面温度,并在主药柱受热最强烈的地方,首先被加热到发火点温度,开始了点火。若条件具备,接着便产生初始火焰向整个主药柱表面传播,这时主药柱便进入正常燃烧,点火过程就完成了。

在工程上规定:从点火讯号或指令给出的时刻起,到初始压强Pi建立止其间所对应的时间间隔称为点火延迟时间tdi。初始压强除另有要求外,可按燃烧室压强连续上升到0.3MPa时的压强值确定。对于固体火箭发动机药柱来说,从电发火管通电到发动机燃烧室压强达到额定工作压强值的75~80%时,药柱才被认为点燃了,其间所经历的时间又称为药柱点火延迟期tign。见图5-1。

点火延迟时间tdi是衡量发动机点火性能的主要指标。对某一固体火箭发动机讲,若点火延迟时间超过规定值时,便认为该发动机的点火不可靠。

(2)点火装置的功能与设计要求

点火装置的功能是准确可靠地点燃主药柱,使共按预定的方式和速度进行燃烧,并满足弹道性能的要求。点火装置的设计要求为:

1)点火延迟期小,保证药柱能可靠点火。点火延迟期过长或出现不正常的点火过程,都是不允许的,否则会造成严重的后果,这是点火装置设计的基本要求。

2)点火压强峰要求。过大的点火压强峰,不但使发动机的性能降低,而且还影响发动机壳体的强度。

3)点火装置的体积和质量要小。

4)对某些导弹发动机,还要求点火装置具有安全防护措施。

(3)药柱点火延迟期的估算

火箭发动机药柱点火延迟期tign包括两部分时间,如图5-1所示。在该图上,A点相当于电发火管电路接通瞬间,B点相当于电发火管桥丝烧断瞬间,C点相当于点火装置药盒破裂或点火发动机喷出点火燃气瞬间,D点相当于药柱被点燃瞬间,该瞬间人为的规定为发动机工作压强或推力值达到额定值的75~80%时,药柱就点燃了。从A点到C点即从电发火管通电到点火药燃烧产物触及药柱燃烧表面为止的一段时间称为发动机点火延迟期的第一部分时间。对某些特定点火装置,这一部分时间是固定的。从C点到D点即从点火药燃烧产物与药柱燃烧表面接触起到药柱正常燃烧为止的一段时间,称之为药柱点火延迟期的第二部分时间,用τ表示。

药柱的点火延迟期是发动机点火过程的关键部分,现对时间τ从理论上作如下分析:

如图5-2所示,Tg表示点火药燃气的温度,T0为药柱的初温,①表示点火燃气,②表示药柱,纵坐标T表示温度,横坐标x指向药柱内部,表示距离,原点在药柱的表面上。点火燃气流经药柱表面,以导热、对流和辐射方式给药柱传递热量。

假定燃气对药柱表面的热交换为一元问题,药柱为半无限大物体,燃气遵守理想气体定律,则点火燃气向药柱的    图5-2  点火燃气向药柱的传热

传热微分方程为

\(C{{\rho }_{p}}\frac{\partial T}{\partial t}=\lambda \frac{{{\partial }^{2}}T}{\partial {{x}^{2}}}+Q\)                       (5-1)

式中,C、ρp、λ分别为药柱的比热、密度和导热系数。T为药柱的温度,是x和t函数。Q为单位体积药柱在单位时间内的固相反应热,是x和t的函数。实际上,药柱表面达到发火点所需要的热量主要是来自点火燃气,因此,Q可以忽略不计。

此时,式(5-1)可简化为

\(C{{\rho }_{p}}\frac{\partial T}{\partial t}=\lambda \frac{{{\partial }^{2}}T}{\partial {{x}^{2}}}\)                           (5-2)

初时条件:          

 t=0T=T0                               (5-3)

边界条件:     时

\(\text{-}\lambda \frac{\partial T}{\partial t}={{\alpha }_{c}}\left( {{T}_{g}}-T \right)\)                         (5-4)

式中ac是换热系数。

\(x\to \infty $时$T=T0,\frac{\partial T}{\partial x}=0\)                       (5-5)

将式(5-3)、(5-4)、(5-5)代入式(5-2)求解,就可得到药柱在点火期间,Tx、t变的关系式

\(T={{T}_{0}}+\left( {{T}_{g}}-{{T}_{0}} \right)\left\{ 1-erf\left( \frac{x}{2\sqrt{at}} \right)-\exp \left( Hx\_{{H}^{2}}at \right)\left[ 1-erf\left( \frac{x}{2\sqrt{at}}+H\sqrt{at} \right) \right] \right\}\)

(5-6)

式中,\(H=\frac{{{a}_{c}}}{\lambda }\)相对热交换系数;

\(a=\frac{\lambda }{C{{\rho }_{p}}}\)药柱的导温系数;

\(erf(y)=\frac{2}{\sqrt{\pi }}\int_{0}^{y}{{{e}^{-{{y}^{2}}}}dy}\)称为误差函数,y为自变量。当y=0时,erf(0)=0;y→∞时,erf(∞)=1。

在这里我们关心的是药柱表面的温度变化。根据点火理论的温度点火准则,即只要药柱表面温度Ts达到药柱的发火温度Td时,就认为药柱点着火了。

由式(5-6),当x=0时,可得药柱表面温度Ts随时间t变化的关系式

\(T\left| _{x=0}={{T}_{s}} \right.={{T}_{0}}+\left( {{T}_{g}}-{{T}_{0}} \right)\left\{ 1-\exp \left( {{H}^{2}}at \right)\left[ 1-erf\left( H\sqrt{at} \right) \right] \right\}\)             (5-7)

T>Td,则药柱表面温度Ts必然会经过t=τs时间后达到发火点Td,故式(5-7)变为

\(\frac{{{T}_{d}}-{{T}_{0}}}{{{T}_{g}}-{{T}_{0}}}=1-\exp \left( H2a\tau  \right)\left[ 1-erf\left( H\sqrt{at} \right) \right]\)                (5-8)

式中τ即上述的药柱点火延迟期的第二部分时间。当\(\tau <\frac{1}{{{H}^{2}}a}=\frac{\lambda C{{\rho }_{p}}}{a_{c}^{2}}\)时,(即\({{H}^{2}}a\tau <1\),将上式中的指数函数和误差函数展成级数,忽略高阶微量,就可得到时间τ的表达式

\(\tau \text{=}\frac{\pi \lambda C{{\rho }_{p}}{{\left( {{T}_{d}}-{{T}_{0}} \right)}^{2}}}{4a_{c}^{2}{{\left( {{T}_{g}}-{{T}_{0}} \right)}^{2}}}\)                        (5-9)

(4)影响时间τ的各因素分析

由式(5-9)可知,影响τ的因素可分为以下五大类:

1)药柱的物理化学性质

药柱成分不同,则其λ、Cρp的数值就不相同。当药柱的导热系数λ大时,热量就能很快的由表面传入内部,因而药柱表面的温度就不容易提高,故τ就会增加。当药柱密度ρp增大时,则对同一厚度的加热层,其升高1℃所吸收的热量就多,因而药柱温度升高慢,使点火延迟期τ增长。当药柱的比热C大时,则单位质量的药柱升高1℃时,需要的热量就多,故药柱难点燃。一般说,复合推进剂药柱比双基推进剂药柱难点燃。浇铸复合推进剂药柱表面有一层脱模剂,它分解慢,会使点火延迟期增长。当药柱中加入少量燃烧催化剂Fe2O3、Co2O3、MgO和PbO等,可提高药柱的燃速,使点火延迟期缩短。

2)点火药性质

  • 点火药的燃烧气体温度Tg越高,则可使τ减小,这一点可从式(5-9)中看得很清楚。黑色火药燃气温度Tg=2590K。以镁或铝作燃烧剂的高能点火药燃气温度Tg≥3000K。因而,用高能点火药点燃复合推进剂是比较合适的。
  • 点火药药粒大小对τ的影响很大。药粒小,则点火药的燃烧时间短,其燃烧产物在药柱表面停留时间就短,使药柱表面尚不能建立起加热层,故药柱难以点燃。一般情况下,点火药必须做成具有一定尺寸的药粒,对高燃速点火药尤其要注意。
  • 点火药数量的多少意味着点火能量的大小。若点火药量过少,就会使τ增大或者瞎火。当然,点火药量过多,不但必要性不大,反而会引起过高的点火压强峰。

3)发动机结构

  • 发动机燃烧室自由容积Vc的大小,直接影响点火的性能。Vc越大,点火药燃气充填时间加长,点火压强建立过程慢,会使τ加大。但Vc过小,则点火燃气在药柱表面停留时间短,药柱建立不起必要厚度的加热层,也会使τ增大。
  • 发动机喷管的堵盖,可使点火压强迅速建立起来,点火延迟期缩短。喷管堵盖除了起防潮、密封作用外,对发动机点火有重大影响。设计堵盖时,对其选材、厚度、安放位置和破坏压强等都要仔细研究。
  • 发动机的药柱燃烧面积Ab与喷管喉部面积At之比,对点火也有较大影响。一般说,越大,τ越小。
  • 当燃烧室中金属件较多,且裸露的金属表面大时,点火燃气无效散热大,因之药柱点火延迟期τ增大。当燃烧室内壁贴有绝热层,或为纤维增强复合材料壳体,或为贴壁浇铸的内孔燃烧药柱等,都会减小点火时的无效热损失,使点火延迟期缩短。

4)药柱的初始温度

药柱初温T0大时,由于建立加热层较快,故药柱的点火延迟小。对于低发火点(即小Td)的药柱,初温T0的影响较大。双基推进剂在低温下的可靠点火是一个经常遇到的问题,设计点火装置时,应保证最低温度下可靠点火。

5)点火器的安放位置及数量

点火器放在发动机头部,会使点火燃气全部流经药柱表面,这是一个对点火最有利的位置。对大尺寸药柱,采用数个点火器或点火发动机,可以获得较短的点火延迟期。

(5)点火压强及其峰值

所谓点火压强,一般公认是点火药燃烧产物形成的燃烧室压强。其测定方法是在实际发动机中,装入与真药柱尺寸相同,物理性质相近的假药柱,其它结构不变,将点火器点燃,测出燃烧室压强曲线,最大压强就是该发动机的点火压强。

点火压强峰是发动机点火时产生的压强急升。其程度是用峰值比表示。峰值比是压强峰值与平衡压强值的比。多数战术火箭发动机峰值比为1~2,特殊情况下,可达2~5。

在发动机结构强度设计时,必须保证发动机能承受可能出现的最大压强。对于已有的发动机,必须保证不致出现意外的过高的压强峰,以免发生危险。因此,点火压强峰的减小,是降低发动机结构质量,提高火箭性能和可靠性的一个重要因素。由于压强峰的存在,必然产生推力峰,这时会使火箭或飞行器的过载增加。

事物都是一分为二的,点火压强峰并非全然无益。点火压强峰会使点火过程的反应加快,可使点火延迟期缩短,提高点火的可靠性。在特殊情况下,当火箭弹需要一初始瞬间大推力时,就可利用点火压强峰来实现。

但是,对大多数发动机来讲,在满足点火延迟期要求的前提下,希望尽可能的降低点火压强峰。下面我们分析一下点火过程对点火压强峰的影响因素:

  • 点火药量过多、点火药燃烧产物中气相成分较多、点火药燃速高或药粒小等,都会造成点火压强峰,以镁、铝为燃烧剂的高能点火药,燃烧产物中气体成分比黑色火药少,故采用高能点火药可以降低点火压强峰。
  • 药柱初温高时,若其它因素不变,点火加热期越长,则点火压强峰越高。
  • 燃烧室自由容积越小,喷管堵盖破裂压强越大,则点火压强峰越高。
  • 推进剂的组分的影响也很明显,例如复合推进剂的点火压强峰一般比双基药的低。

5.2  点火装置分类与典型结构举例

点火装置的作用,是准确可靠地点燃药柱,使发动机按预定要求进入正常工作。

固体火箭发动机点火一般是用强迫点火方法。强迫点火就是给药柱以初始能量,激发点火直至使药柱进入正常燃烧。这种点火能,概括起来有三种形式:

(1)热能,如用炽热燃气,以辐射、对流和导热方式给药柱传热,以实现药柱的点火。

(2)化学能,如用化学活性物质ClF4喷洒在药柱表面上,立即产生激烈的放热化学反应,这种点火称为自燃点火。

(3)机械能,如用摩擦或冲击方式,使药柱点火。

目前常用的大多为热能点火装置,如药盒式点火器和火箭发动机式点火器。药盒式点火器是由电发火管和点火药盒、电源接线及接线插座等组成。火箭发动机式点火器是由电发火管、点火药盒、点火药柱,壳体和喷嘴等组成。前者称为二级点火,后者称为三级点火。

药盒式点火器又可分为整体式和分装式两类。整体式就是把电发火管安放在点火药盒内。如图5-3所示。

图5-4是某空-空导弹用的金属网吊兰式点火器,属于整体式点火器。冲压成型的金属网用塑料薄膜封好,以盛放点火药,并起密封防潮作用。电发火管与通用电发火管不同,是一种特制的电发火管,结构紧凑,密封性好。

图5-4  金属网吊兰式点火器

图5-5是某空-空导弹发动机用的长管形点火器,也属于整体式点火器。点火药盒是塑料质的长管形壳体,对称的开有60个φ6.2圆孔。点火药重115g,分20块。每块尺寸为19/10-7.7。该点火器装有机械式安全装置。导弹上机之前,处于安全状态,此时两个加强药管与电发火管错开90°,若电发火管意外发火,也不会引起加强药点火。当导弹上机时,旋转指示盘中心的杆件,使其记号难准“战斗”位置,这时电发火管就与加强药管对准。若电发火管发火,就会立即引燃加强药管,使点火器发火。电发火管装在与旋转中心成180°的动盘上,这样,中心杆旋转90°,就可能使电发火管与加强药管对准或错开90°。

图5-6表示了一种分装式点火器。

图5-6  分装式点火器

1—绝缘物  2—正电极  3—负电极  3—本体  5—电发火管  6—弹簧  7—固定架  8—点火药盒

5.3  电发火管及其选择

在固体火箭发动机技术中,广泛采用的发火管是电能发火。将电源接通后,电发火管的桥丝加热,使涂在桥丝上的热敏火药发火并引燃点火药。这种发火装置叫做“金属桥丝炽热式发火管”,简称电发火管。

(1)电发火管的构造原理

最简单的电发火管是由电桥丝、热敏火药、防潮保护漆和引线等四部分组成,如图5-7所示。

按照电桥丝的直径和长度,电发火管可分为三类:

1)低电阻(0.5Ω以下)电发火管。电桥丝直径在50μm以上,长度为1~5mm。点火电流大,约为2~3A,所需电压为1~1.5V,功率为2~4.5W。

2)中等电阻(0.6~3Ω)电发火管。电桥丝直径为24~40μm,长度为1~5mm。点火电流0.3~0.8A,电压0.5~1V,功率为0.5W左右。

3)高电阻(50~150Ω)电发火管。电桥丝直径24~50μm,长度为数cm。因为桥丝长,通常作成螺旋状。点火电流0.3~0.8A,电压为100V,功率为70W。从点火功率看,第二类电发火管消耗功率最小,若从节省电能观点出发,选用这种电发火管最好。但从使用安全性看,中等电阻不好,易被杂电源引燃。而低电阻和高电阻电发火管因其发火功率高,能抵制杂电流引起意外发火,故安全性好。从功率小,安全性好的观点出发,选用低电阻电发火管最适宜。目前使用的是低电阻电发火管。我国早期引进的国外产品,如ΠΠ-5电发火管(如图5-8所示),其电阻为0.3~0.45Ω;ΠΠ-9PC电发火管(如图5-9所示),其电阻为0.15~0.8Ω。目前国内使用的电发火管为JD-1和JD-2型。其结构与ΠΠ-5,ΠΠ-9PC基本相同,其性能可参看文献[2]。也有用中电阻电发火管的,其电阻为1~1.5Ω,如图5-10和图5-11所示。

图5-9  ΠΠ-9PC电发火管

图5-10  BX-10-1.5电发火管  图5-11  зB-21电发火管

1—壳体  2—密封保护层  3—热敏火药                  1—密封固定漆  2—热敏火药

—电桥  5—引线  6—密封胶                           3—电桥    4—导线

热敏火药受热后产生初始火焰,使点火药或加强药块点燃。常用的热敏火药配方是

  1. KClO3 50%,Pb(CNS)2 47%,PbCrO4   3%,外加硝化棉胶4%。
  2. KClO3 50%,Pb(CNS)2 50%。
  3. KClO3 74%,Mg 13%,C    13%,外加硝化棉胶4%。

为了防潮,热敏火药外表面上要涂漆或蜂蜡,或特制的防潮封口胶。

电桥丝接线,一般采用直径为0.5~1.0mm的单股铜线。

火焰加强药块是为了扩大热敏火药的火焰强度,故要求能量大,温度高,火焰强,性能稳定。加强药块是用烟火剂或黑色火药压制成的,药块的尺寸越大,密度越大时,火焰越长,燃烧时间越长。

发火管外壳是用来保护药料的,外壳上的喷嘴是为了控制喷射火焰方向和燃气速度。通常,外壳与发动机壳体接触,是电桥丝的一个电极。

密封胶起固定电桥和防潮作用。

(2)电发火管的电特性

使电发火管发火的电流冲能称为“发火冲能”,用KB表示,其表达式为

\({{K}_{B}}={{I}^{2}}{{t}_{B}}\)                            (5-10)

式中tB为从给桥丝通电到它获得引燃热敏火药为止的时间,也称桥丝发火时间。I为发火电流。

最小发火电流:每种电发火管的发火冲能KB可用实验测定。由于发火管制造工艺上的误差,同类电发火管的KB也有一个变化范围,即为(KB)max和(KB)min。在规定时间内该批发火管100%发火的最小电流,称为“电发火管的最小发火电流”,用IB表示,其计算公式为

\({{I}_{B}}=\sqrt{\frac{{{\left( {{K}_{B}} \right)}_{\max }}}{{{t}_{B}}}}\)                           (5-11)

最大安全电流:以大小不变的直流电源,给电发火管在无限长时间内通电,对100%不发火的电流上限,称为“最大安全电流”。这个参数的实际意义在于,在所有使用条件下,用此参数便能判定该电发火管对杂散电流的安全性。由式(5-10)和(5-11)可知,最大安全电流的大小与电桥丝的材料、直径D、长度以及热敏火药成分、发火管结构等有关。电桥丝直径D越小,桥丝材料的电阻系数φR越大,比热C和密度ρ越小,都会使最大安全电流减小。可是,当热敏火药的热敏感度减小、密度增大时,安全电流是增加的。

最大安全电流的测定方法是:为检测方便,以一定的电流通过电发火管,在规定时间内不发火时,把此电流就定义为该电发火管的最大安全电流。如ΠΠ-9PC电发火管检测时的规定是:在0.15A电流作用下,5min内该批发火管100%不应发火。

根据电发火管的最小发火电流IB和电阻就可求得点火电压

\(V=R{{I}_{B}}\)                              (5-12)

在通常情况下,测量电发火管的电阻,就可以判定电发火管是否有严重的毛病。如桥丝断裂,短路或接触不良等。在使用电发火管之前,对每一个电发火管的电阻都需要检测。但是,在测定电阻时,通过桥丝的电流不应过大,以免引起发火或破坏了电发火管的性能。例如,使用ΠΠ-9PC电发火管时,要求检测电流不大于0.05A。

5.4  点火装置设计

点火装置的主要作用,是要求在规定时间内,将发动机主药柱点燃,并进行正常燃烧,同时不允许产生过大的点火压强峰,或产生严重的点火冲击。

点火装置设计主要包括:点火药选择;点火药量计算;点火药粒尺寸确定;点火药装填方式;药盒或壳体设计;喷嘴的设计等。

5.4.1  点火药选择及其要求

点火药应满足下列要求:

  • 能量特性:燃烧产物温度高,并含有适当比例的固体热粒子。
  • 点燃特性:发火温度低,易于引燃。
  • 安全性:在运输、贮存和勤务处理时,不易破坏或发火。温度敏感性和吸湿性低,不易氧化、变质等。
  • 生产经济性:国内原料来源充足,生产成本低。

5.4.2  点火药种类

(1)黑火药

黑火药是国内外广泛使用的点火药,配方是:KNO375%,木炭15%,S10%。

1)黑火药的优点:

  • 热敏感度高,发火点约为300℃,这是其它各种点火药无法比拟的。它通常用低能量发火管就可以引燃。用二级点火,就足以使中、小型固体火箭发动机可靠点火。
  • 黑色火药的燃烧产物中含有约60%的固体炽热粒子,这种粒子对药柱表面直接接触传热,使热交换效率大为提高,并且也增强了热辐射的效果。因为黑色火药的燃烧产物中也含有足够多的气体,可在点火过程中建立一定的点火压强,故可造成有利的点火条件。

黑色火药燃烧反应方程为

74KNO3+96C+30S→[35N2+56CO2+14CO+3CH4+2H2S+4H2]g

           +[19K2CO3+7K2SO4+8K2S2O3+2K2S+2KCNS+(NH4)2CO2+C+S]s

式中脚注“g”表示气体,“S”表示凝相或固相。

  • 黑色火药的机械敏感度低,生产、运输贮存和勤务处理时,有较好的性能稳定性和安全性。

2)黑色火药的缺点:

  • 能量不高:它的燃烧值为449kJ/kg(585kCal/kg),燃烧温度为2590K。燃烧速度低,在大气压下,燃烧速度约为8-10mm/s。黑色火药多用于点燃双基型固体推进剂药柱,因为它比复合固体推进剂易于点燃。
  • 黑色火药放在不密封的容器中容易吸湿。当它的含水量大于2%时,不易点燃。

总的说来,黑色火药是有烟火药的一种,它是硝酸钾、木炭和硫的机械混合物。它燃烧时,硝酸钾放出和木炭燃烧时所需要的氧,硝酸钾是氧化剂。而硫和木炭是燃烧剂。这里硫还有它的特殊作用即胶合作用,使黑色火药易于成型;它能降低黑色火药的吸湿性;它的着火温度低,使黑色火药容易点燃;它对火焰的感度高,使黑色火药容易用明火点燃。另外,黑色火药的燃烧温度较高,燃烧产物中含有50%以上的固体热粒子,因而点火效率比较好。综上所述,黑色火药在许多点火装置中,不能为其它火药取代。

我国生产的黑色火药,按药粒大小,分为大粒1号和2号,小粒1号、2号、3号和4号,还有黑色火药粉等共七种。大粒火药,燃烧时间长,总燃烧面积小,故能量输出速度慢,压强升高速度也慢,适于点燃大、中型双基推进剂药柱(包括低燃速双基药)。对于大型双基推进剂药柱发动机,为加长药柱加热时间,又不致引起大的点火压强峰和点火冲击,往往将黑色火药压成药饼,以增加燃烧时间。但是,药粒过大,点燃困难。药粒过小,燃烧时间短,易产生过高的点火压强峰。若燃烧时间小于主药柱的点火延迟期,则不可能点燃主药柱。因此,合理选择药粒尺寸的大小,是一件很重要的事。

有时,为了克服黑色火药能量低的缺点,在黑色火药中加入适当比例的双基药碎粒。

(2)烟火剂

烟火剂和黑色火药一样,是氧化剂、燃烧剂和粘结剂的机械混合物。用作点火药的烟火剂有:

1)B-KNO3

这种类型的点火药中含硼(B)25.7%,含硝酸钾(KNO3)70.7%,含粘结剂5~6%。该点火药的特点是:低压下易点燃。气体含量较高。燃速对压强敏感性低,吸湿性比黑色火药小。

2)Al—KClO4

该点火药含铝粉(Al)35%,含过氯酸钾(KClO4)64%,含植物油1%。其特点是能量高,低压下难点燃,燃速对压强敏感性大。

3)Mg—聚四氟乙烯

这种点火药目前在国内已做了研究和使用,其能量特性较高,与B-KNO3点火药相近,当压强为0.101 325MPa时,其燃速约为1.8mm/s。在低压下易于点燃,燃气中凝聚相颗粒含量多,燃速压力指数小。由于它的燃气气体含量少,可用于自由容积小的发动机点火。燃气有毒性。有关它的配方见表5-1。

4)其他烟火剂

  • Mg—黑色火药:该配方含Mg26%,含黑色火药51%,聚四氟乙烯17%,过氯酸钾6%。
  • 6—3烟火剂:该配方含Ba(NO3215%,Al—Mg 25%,酚醛树脂10%,过氯酸钾50%。
  • Mg—KClO4:该配方含Mg40%,过氯酸钾30%。

表5-1  Mg—聚四氟乙烯配方

配方序号

组        分

应    用

Mg(%)

聚四氟乙烯(%)

添加剂(%)

1

60.0

40.0

石墨1

北极星

2

32.5

67.5

添加物2

不死鸟

3

54.0

30.0

合成橡胶16

响尾蛇

特点

能量与B-KNO3相同,含气量低,压强指数小。

烟火剂的优点是能量高,燃烧温度在3000K以上;含气量比黑色火药少,含固体微粒多,不易产生过高的压强峰;燃烧速度比较高等,这些特点都有利于点燃难以点火的复合推进剂。

烟火剂的缺点是:①发火点高:镁粉的发火点为550℃;KClO4的热分解温度为610℃;聚四氟乙烯热分解温度为390℃;均比黑色火药的发火温度高。因之,要用大能量的发火管或加强药才能使其点燃。②大多数烟火剂有较强的吸湿性。贮存稳定性差,如Mg和Al容易氧化,此时活性降低。Mg粉在空气中也易吸湿。③成本高。

(3)自燃点火剂

应用比较成功的自燃点火剂是ClF4和BrF3等,它们是高化学活性的液态化合物。将它们喷洒在药柱表面上,就与推进剂发生强烈的异相化学反应,放出大量的热,使药柱点燃,这称为自燃点火。为缩短自燃点火的延迟期,可在药柱表面上涂一层化学活性物质。

5.4.4  举例

【例1】  某发动机的点火药是烟火剂,Vc=0.001603m3,Tig=3000K,ε=0.8, M=22.4˟10-3kg/mol取点火压强Pig=294.3×104Pa,试求点火药量mig,设xQ=0.8

    解:  将已知条件代入式(5-14)

\({{m}_{ig}}=\frac{{{V}_{c}}{{P}_{ig}}}{\left( 1-\varepsilon  \right)\frac{R}{M}{{T}_{ig}}}\frac{1}{{{\xi }_{Q}}}$\) 

\(\text{=}\frac{0.001603\times 294.3\times {{10}^{4}}}{\left( 1-0.8 \right)\frac{8.31}{22.4\times {{10}^{-3}}}\times 3000}\frac{1}{0.8}=0.0265\text{kg}\)             

答:所需要的点火药量为0.0265kg。

【例2】  某发动机采用的点火药是黑色火药,发动机的初始自由容积Vc=500cm3,Tig=2590K ,ε=0.6,点火燃气的分子量M=34.75˟10-3kg/mol,xQ=0.8,取点火压强Pig=490.5×104Pa,试求发动机的点火药量。

解  将题中所述的已知值代入式(5-14)

\({{m}_{ig}}=\frac{{{V}_{c}}{{P}_{ig}}}{\left( 1-\varepsilon  \right)\frac{R}{M}{{T}_{ig}}}\frac{1}{{{\xi }_{Q}}}\)

\(\frac{500\times {{10}^{\text{-}6}}\times 490.5\times {{10}^{4}}}{\left( 1\text{-}0.6 \right)\frac{8.31}{34.75\times {{10}^{\text{-}3}}}2590}\frac{1}{0.8}\text{=}0.0124\text{kg}\)

   答:所需要的点火药量为0.0124kg。

【例3】  某固体火箭发动机是多根双基推进剂药柱,其尺寸为D/d-n×L=40.2/6.3-7×490,总药柱质量mp=6.5kg,发动机燃烧室长度Lc=555mm,内径dc=121mm,喷管喉部直径dt=35mm,试用式(5-18)与(5-19),求用黑色火药作点火药的点火药量,并比较之。

解  药柱的初始燃烧面积

从上两种计算公式得到的结果看,是比较相近的。由产品的实验结果得知,用36g小粒3号黑色火药进行点火比较理想。这说明对双基管形多根药柱的发动机,采用式(5-18)和(5-19)计算点火药量是比较精确的。

5.4.5  点火药盒

(1)点火药盒的作用

1)是盛放点火药的容器,保护点火药不被损坏,并起密封防潮作用。

2)点火药燃烧时,保持在一定压强下进行,以保证点火药完全燃烧。

3)控制点火药燃气的流动方向,进行气流分配,保证药柱均匀点燃。

4)提高高空点火的可靠性。在高空条件下,因气压较低,点火药不易点燃,而由于点火药盒的密封作用,在高空中药盒内仍保持足够的压强,故能使点火药可靠点火。

(2)点火药盒的设计要求

根据点火药盒的作用,提出如下设计要求:

1)密封性好以利防潮;要有一定的装填密度,以防点火药松动而引起药粒之间的摩擦。

2)适当的强度。强度太低,点火延迟期长,重现性差。强度过高,会产生点火冲击现象,甚至引起主药柱破坏。

3)药盒破碎后,不应产生坚硬的碎片,最好是燃烧掉。坚硬的大碎片会损坏药柱表面,堵塞喷管,这是绝对不允许的。对于机载导弹发动机,大的碎片还会损坏飞机。

4)对于分装式点火装置,其药盒易于被发火管的火焰烧穿。为此要求在对准发火管火焰的方向上,药盒的厚度或材料要作特殊考虑。

(3)点火药盒的材料、形状和结构

0.3~0.5mm厚的工业纯铝板,是点火药盒的常用材料。其优点是易于冲压成形,熔点低,易于烧毁。长期贮存,不易生锈等。

厚度为0.5mm以下的赛璐珞片或硝化棉软片,也可做为药盒的材料。它们的优点是易于热冲压成型,但长期贮存时,有老化现象。

一些发动机点火装置的药盒,也用复合材料、镀锡薄铁皮、塑料、纸板等材料。

在实验发动机中,为了简单,也用绸布或塑料薄膜等包装点火药以当作点火药盒使用。

选择药盒材料时,应特别注意是否会易于烧毁而不致形成有害的坚硬碎片。这一点对于小直径喷管至关重要。

药盒的形状是依药柱的形状和它在发动机上的安装位置来确定。多根管形药柱常用圆饼形或圆环形药盒。内孔燃烧药柱,多用长管形药盒。

点火药量的多少和其密度大小就决定了药盒的体积,黑色火药的装填密度约为0.9~0.95g/cm3。装填密度不能小,否则就像前面分析过的一样,会产生不良效果。

为控制点火药能完全燃烧,并能按一定要求,将点火燃气均匀的喷射到药柱燃烧面上,药盒上开有排气孔,该孔平时用薄膜密封。一般情况下要求这些孔的总面积约占药盒面积的40%左右。排气孔的单个面积应足够小,以便能使点火药有75%以上的质量在药盒内燃烧。当点火药做成小药球时,可用金属网冲压成药盒,如图5-4所示。

点火药盒的安装位置,最好是放在主药柱的前部,以便有效的利用点火能量。但是,该位置使点火器的电源引线复杂化。为此,某些发动机的点火药盒安放在主药柱后端。这时,电源引线的安装虽然简单,但点火能的利用很不充分。对某些内孔小而长的内孔燃烧药柱,为了瞬时点燃药柱,沿药柱内孔轴线方向上安放数个药盒,将电源引线并联引出,以保证数个药盒同时发火。

 

5.4.6  点火装置的保险机构

过去,因为点火装置没有保险机构,曾发生过意外点火,造成偶然性事故。

(1)产生意外点火的原因是

1)电发火管的安全电流放小。如ΠΠ-9电发火管的安全电流仅为50mA,稍有不慎,只要通入电发火管的电流超过安全电流,就会自动发火。

2)外界确实存在着强的干扰电流。例如导弹上仪表和地面上电器系统的起动和停车,都会引起强的磁感应。强功率雷达和电气设备会产生高频干扰。雷电及检测过程中的过大电流等,都是引起电发火管发火的意外因素。

为此,一些导弹发动机点火装置上都增设了防静电,防射频的安全保险机构。

(2)目前使用的安全保险机构有电保险和机械保险两类

1)电保险就是在点火电路中安装滤波装置。它能滤掉点火信号以外的干扰电流。其原理是当干扰信号通过时,衰减极大,而对点火信号却是畅通无阻,从而保证电发火管不会意外发火,而要真正起动发动机时,却能可靠的点火。

滤波装置通常有RC低通滤波和LC低通滤波器两类。现以LC低通滤波器为例,说明其保险作用的原理。如图5-12所示。

          

由电磁原理可知,当频率为ω的交流电流通过时,电感L所产生的阻抗为ZL=ωL,电容C产生的阻抗\[{{Z}_{C}}={1}/{\omega C}\;\],点火电路的总阻抗是这两者之和。若频率ω越大,阻抗ZL变大,Zc变小。这说明高频电流通过这种滤波器时,受L的阻力大,而受C的阻力小,因之高频电流就通过电容C滤掉了,致使电发火管不受高频电流的影响而发生意外点火。但是,这种滤波器对直流点火电流,却受到电容C的极大阻力,但能顺利的通过电感L而达到电发火管的桥丝,从而保证了正常的点火。一般讲,意外的杂散电流均属高频电信号,因而这种滤波器就起了安全保险作用。

2)机械保险的工作原理是这样的,平时,用堵块堵死电发火管与点火药盒之间的传火通道,从而使点火装置处于安全状态。若将堵块移去,打通传火通道的道路,点火装置就处于“战斗状态”。

有一些发动机点火装置中,是用带孔的旋转圆盘,放在电发火管与加强药之间,如图5-5所示。当旋转圆盘上的孔(亦称传火孔)对准加强药柱时,电发火管的火焰通道接通。这就是上面提到的“战斗状态”。平时为了安全,按指定位置旋转带孔圆盘,使传火孔与加强药柱错开,传火通道断开,若电发火管发火,则火焰通道堵死,点火装置就处于“安全状态”。

(3)介绍一种微电机式安全发火机构

此机构曾用于我国同步卫星的远地点火箭发动机上,它的作用是保障装配和测试过程中人员同系统设备的安全,避免偶然因素引起发动机误点火。同时,保证系统在轨道上,接到遥控指令后,机构能准确、可靠地点火,引燃点火药柱,使发动机工作。

这种机构的特点是:①采用钛合金材料制造机构壳体,它能达到高比强度、无磁性,且耐高温的要求。②点火电路采用并联双电桥、双元件、双电路措施,用以提高机构的可靠性。③功率元件选用直流永磁伺服电机。它具有安全和发火两种功能,功能的转换是通过72V、4A的直流电源来驱动的,其电机的工作方式为瞬时接通,能可逆运转。它具有较高的抗电强度,能承受功率0.5kVA,电压500V、频率50Hz的交流抗电强度试验。具有抗25kV以上静电的功能。工作中能承受压强8.826MP,并且,可以在高真空的特殊环境中,点火工作。

机构的作动原理是:首先给机构通入6V、100mA的直流(或交流)电源,机构的状态指示元件,及时、准确地将机构装置“保险状态”的信息送给控制台,机构尾部的状态直观指示标志,同控制台的状态指示相符;接通27V、4A直流电源给机构电磁销,在电磁力的作用下,机构拔销解锁,并用同一电源给电机供电,电机驱动火路开闭组件,完成状态转换,同时状态显示出“工作状态”,同机构尾部的直观状态指示相符。然后,电磁销断电锁紧,接着电机断电,解除驱动力,最后关掉状态指示,机构就完成了由保险到工作的转换。当机构需要恢复保险时,只要按照这个程序再动作一次就行,只是电机通电极性正好同前半个周期相反,这样,机构就进行了保险——工作——保险动作程序的全过程,机构就是这样进行状态转换和状态保持的。

当要发动机点火时,机构已经转换为工作状态。当接到点火指令时,控制系统给机构中的发火电路接通27V、6A的直流电源,电发火元件在4~6ms内激发,产生一股2.942MPa的高压火焰燃气,由机构的发火元件喷射出来。这股燃气是由发火元件内的电热桥丝通电产生的焦耳热,点燃由氯酸钾、硫氰化铜等成份组成的发火药生成高压燃气射流,燃气流首先冲破火路开闭组件上特制的金属膜片,然后顺其火焰通道喷射出来,可靠地点燃点火器,使发动机工作,安全发火机构完成了可靠点火。

机构为了适应固体发动机高温、高压的工作环境,它在设计中充分考虑了高、低压的密封特性。

当机构处于保险状态时,人为或自然的偶发因素,使装在机构腔内的2个电发火元件误发火,这时处于保险状态的机构能使发火元件喷射出的高温、高压燃气一丝不漏地贮存在误发安全贮气腔中,同机构相连的点火器中的药柱,就不会被激发、引起发动机错误工作,并要求发火燃气也不向外部泄漏。一般情况,固体发动机上安装的安全发火机构,除临发射前几分钟处于工作状态外,其余时间都处于安全状态,因此其安全功能就尤其显得重要。典型机构如图5-13所示。

图5-13  微电机式安全发火机构(安全状态)

一般讲,电保险装置的结构简单,质量轻,但不能防止检测电流引起的意外点火。同时,由于环境条件复杂,干扰电流的频率范围宽广,也难以全部滤掉干扰电流,从而使这种装置的安全可靠性受到影响。

机械保险是绝对可靠的,但结构比较复杂,质量也大。

5.5  点火发动机

对于数米直径、长度十多米的大型固体火箭发动机,其主药柱质量多达几十吨甚至上百吨。它所需要的点火药量约在十到几十公斤以上。在这种条件下,若采用药盒式点火器,必然会在点火时产生过大的振动与冲击,甚至会引起爆露,使发动机遭到破坏。为有效而安全地点燃大型固体火箭发动机的主药柱,通常使用类似小型固体火箭发动机的点火装置——也称点火发动机,对发动机主药柱进行点火。

由于点火发动机的工作时间极短,大约为0.2~0.3s,其点火药柱常采用大燃烧面小肉厚的药柱(如车轮形),同时要求推进剂的燃烧速度高,这样,点火药柱肉厚不至于过薄而难以制造。点火发动机壳体的材料一般用铝制成。铝的熔点低,可以在主发动机工作时的高温燃气中烧毁。或者采用涂有耐热衬层的耐热钢,能在发动机工作之后,完整的保留下来。

(1)点火发动机的药柱

点火发动机的药柱,一般是采用和主发动机相类似的推进剂贴壁浇铸在点火发动机壳体中。

点火发动机的药柱质量,是由它的质量流量mi和燃烧时间ti来确定,即

\({{m}_{ig}}=\int\limits_{0}^{{{t}_{i}}}{{{m}_{i}}dt}\)                            (5-21)

点火发动机的药柱质量mig有一最小值,若小于此值,就不可能使主药柱点火。该最小值是由一定的质量流量(\({{\dot{m}}_{i}}\))0和一定的燃烧时间(ti0来确定的。当点火发动机的燃烧时间ti<(ti0时,则应使质量流量\({{\dot{m}}_{i}}\)增大,致使\({{\dot{m}}_{i}}{{t}_{i}}>{{\left( {{{\dot{m}}}_{i}} \right)}_{0}}{{\left( {{t}_{i}} \right)}_{0}}\)才能点火。若ti>(ti0时,则应使质量流量近似的保持其值为(\({{\dot{m}}_{i}}\))0才能点火,这是实践的宝贵经验。由此看来,在上述两种燃烧时间范围内,点火发动机的药柱质量都是增加的,只当质量流量\({{\dot{m}}_{i}}\)=(\({{\dot{m}}_{i}}\))0时间ti=(ti)0时,点火药量才能达到最小。

1)点火发动机的质量流量\({{\dot{m}}_{i}}\)

根据实验得知,为了可靠的点火,点火发动机所需要的质量流量\({{\dot{m}}_{i}}\)近似地与主发动机喷管喉部面积At成正比,即

\({{\dot{m}}_{i}}={{C}_{D}}{{A}_{t}}\)                             (5-22)

式中,CD——质量流量系数,由实验确定,它和点火发动机及主发动机的结构等因素有关,一般为0.014kg/cm2·s。若是头部点火,则此数值可取低一些。

确定点火药柱质量的另一方法是根据点火特征速度\(V_{i}^{*}\)来进行。

当点火发动机药柱已选定时,经验证明,点火发动机质量流量近似地与主发动机推力F成正比,其比值就定义为点火的特征速度\(V_{i}^{*}\),其表达式为

\(V_{i}^{*}=\frac{F}{{{{\dot{m}}}_{i}}}\)   (m/s)

\(V_{i}^{*}\)与点火发动机的药柱燃烧特性和主发动机推力有关。就现有的推进剂讲,其数值约为3000m/s。

2)点火发动机的燃烧时间tr

点火发动机的燃烧时间可根据推进剂的特性和点火燃气在发动机内停留时间tr来确定,点火燃气在发动机中的停留时间tr

\({{t}_{r}}=\frac{1}{{{\Gamma }^{2}}C_{i}^{*}}\frac{{{V}_{c}}}{{{A}_{t}}}\)                           (5-23)

式中 \(\Gamma =\sqrt{k}{{\left( \frac{2}{k+1} \right)}^{\frac{k+1}{2\left( k-1 \right)}}}\)

k是点火燃气的绝热指数。

Ci*)是点火发动机燃气在主发动机内喷出时的特征速度。

点火发动机的燃烧时间         \({{t}_{i}}=A{{t}_{r}}\)                              (5-24)

式中A为一常数,由实验确定。

3)点火发动机的药柱质量mig

\({{m}_{ig}}={{\dot{m}}_{i}}\cdot {{t}_{i}}\)                           (5-25)

4)点火发动机药柱的燃烧面积Abi

当确定了点火发动机的质量流率\({{\dot{m}}_{i}}\)和燃烧时间ti之后,就可进行点火发动机的药柱设计。

A.点火发动机工作压强选择:由于点火发动机的工作时间很短,质量流率较大的特点,选择工作压强的原则有二:

  • 高压系统(Pi=10MPa),这种系统的药柱燃速高,燃烧面积小。
  • 低压系统(Pi=1MPa ),这种系统的药柱应具有大的燃烧面积,药柱燃速较小。

根据已选定的Pi,可求出点火药柱的燃烧速度ri=aPin。这时,点火发动机的质量流率为:

\({\dot{m}_{i}}={{\rho }_{i}}{{A}_{bi}}{{r}_{i}}\)                             (5-26)

\({{A}_{bi}}=\frac{{{{\dot{m}}}_{i}}}{{{\rho }_{i}}{{r}_{i}}}\)                             (5-27)

式中ρi为点火药密度。\({{\dot{m}}_{i}}\)是由式(5-22)确定。

为使点火发动机的质量和体积保持在最小数值附近,应使点火发动机药柱具有较大的装填密度。

(2)点火发动机喷孔面积(At)i的确定

该点火发动机喷孔面积为(At)i ,点火发动机的特征速度为(Ci*),点火发动机的燃烧室工作压强Pi,则点火发动机的质量流量为

\({m}_{i}=\frac{1}{C_{i}^{*}}{{P}_{i}}{{\left( {{A}_{t}} \right)}_{i}}\)                           (5-28)

\({{\left( {{A}_{t}} \right)}_{i}}=\frac{C_{i}^{*}{{{\dot{m}}}_{i}}}{{{P}_{i}}}\)                              (5-29)

式(5-29)的计算,是相当容易的,在点火药柱的推进剂选定后,Ci*就成为已知值,而Pi和\({{\dot{m}}_{i}}\)在前面已经确定,因之点火发动机喷孔面积(At)i 就可由式(5-29)求得。

点火发动机的喷孔个数与斜角确定,是以点火燃气的能量能够有效的传递到药柱表面上而又不致使经柱表面产生严重的侵蚀为原则。

当点火发动机工作时间超过0.1s时,喷孔必须使用石墨等耐烧蚀的材料,以保证点火发动机具有稳定的内弹道性能。

点火发动机的喷孔,必须用塑料或金属薄膜密封。该薄膜必须能在点火发动机的工作压强下冲破。为防止意外的损伤,其密封薄膜可用泡沫塑料保护起来。

(3)点火发动机的安放位置

点火发动机可以装在主发动机的头部或喷管内。前者称为“上游喷射”,后者称为“下游喷射”或尾端喷射。

图5-14  开侧向槽喷孔   图5-15  球面径向喷孔

若采用上游喷射,其喷孔有三种形式。第一种是开侧向槽孔,如图5-14所示。每个侧向槽孔对准主药柱的星槽处,以强化点火燃气对主药柱的热交换。第二种喷孔,是在点火发动机的半球形部位开径向孔若干个,如图5-15所示。开孔位置与主装药内孔形状对称。如为星形药柱,则喷孔数目应等于星角数,喷孔正好对准星槽处,以提高热交换效率。第三种是单喷孔,其点火特性取决于点火发动机喷孔直径(di)i 与主发动机通气道直径dp之比,即

\({{\varepsilon }_{i}}=\frac{{{\left( {{d}_{t}} \right)}_{i}}}{{{d}_{p}}}\)                             (5-30)

若εi太小,则点火发动机喷孔喷出的火焰不能直接喷射到药柱表面上。如果εi适当大,就可使点火燃气火焰直接喷射到主药柱表面上,如图5-16所示。如果主发动机药柱的通道的长径比较大时,允许喷孔带有扩张段。

图5-16  轴向单喷孔  图5-17  尾端喷射点火

若选用尾端喷射,点火发动机就安装在主发动机的喷管内。当发动机起动之后,点火装置仍留在发射台上,这样,可以减少导弹的消极质量。但是,这种安装方式,必须使点火发动机的点火燃气贯穿主药柱的整个内通道。如图5-17所示。绝对不允许出现点火燃气射流达不到主药柱表面就回流的现象。

一般情况,点火发动机是安装在主发动机喷管的扩张段上。其有效喷喉面积(Ate(是点火发动机与主发动机喷管扩散段之间的环形面积)与主发动机喉部面积At之比为ε,即

\(\varepsilon \text{=}\frac{{{\left( {{A}_{t}} \right)}_{e}}}{{{A}_{t}}}\)                             (5-31)

ε的大小,影响主发动机点火压强建立的速度。一般ε值在1.2~1.8之间,就可获得较好的喷射效果,又不致引起点火压强峰。有时,也可将点火发动机喷孔出口截面置于主发动机的喷管喉部,同样也可获得较好的点火效果。

用小型固体火箭发动机点火,亦称为三级点火。点火发动机的设计,与一般固体火箭发动机设计方法相类似。

图5-18就是一个典型的固体火箭所采用的点火发动机分解图。图中部的立体局剖图,表示点火发动机的总体结构。图上部是点火发动机的能量释放系统,它含有点火器、中间药柱即点火药、点火发动机的点火药柱和挡药板。点火器是由本体、电极、引燃药、扩燃药和堵头组成。点火药柱是内孔燃烧的车轮形药形。图下部是点火发动机的硬部件图,它是由连接螺钉、接头、上挡板、点火发动机壳体、喷嘴衬里和后端盖(上开有喷孔)组成。

 

5.6  点火器计算机辅助设计

传统的固体火箭发动机点火器设计由发火系统设计、点火药设计、点火器结构选择、点火装置壳体设计等元素组成,每个元素都有各自的性能、结构参数,实现着不同的功能。这些系统元素有机的组合在一起,就构成了当前系统的物理模型。点火器的具体设计流程逻辑步骤如图5-19所示。

图5-19  发动机点火器设计逻辑模型

图5-20  点火器分类模型

针对常规固体火箭发动机点火器类型,该系统的发动机设计方案覆盖范围很广,共有四种不同形式的发动机点火器设计方案(图5-20)。

下面介绍点火器设计步骤。

5.6.1  点火时间的计算

对于点火发动机点火时间可以采用(5-23)式近似计算。

 

5.6.2  点火药的选择和点火药量的计算

点火药主要可分为三类,即黑火药、烟火剂和高燃速的固体推进剂,在5.4节中已有介绍,根据发动机的结构尺寸,确定点火器的类型,再根据点火器的类型、工作条件和环境等因素,选择相应的点火药。

点火药选定后,便可根据已知条件:点火装置类型、主装药柱性能、发动机结构设计参数、点火药性能和环境等确定点火药量。

由于影响点火药性能的因素很多,诸如主装药的点火性能、燃速、尺寸形状;点火药的性能、规格或尺寸形状;发动机的结构、初始自由容积;点火装置的安装部位、有无喷管堵盖、工作条件等因素有关。因此要建立一个包括各种若干个影响因素在内的点火药量计算公式十分困难。目前只能用一些包括若干个影响因素在内的点火药量来初步预估。利用预估的点火药量进行模拟发动机的点火测压试验以及发动机高低温试验,以便对点火药量进行必要的修正,最后才能确定出合适的点火药量。该药量既要使低温点火可靠,点火延迟符合要求;又要使高温下初始压强峰值不超过允许值。

点火药量确定之后,必须考虑点火药的规格或尺寸,以保证主装药柱正常点火所需的点火燃气流量和点火药的燃烧时间。

前面介绍了几种确定点火药量的经验公式,这里对其进行系统总结以适应计算机辅助设计的需要,这些经验或半经验的公式只考虑了某一个或几个影响因素,故计算结果可能不准确。

(1)黑火药点燃复合推进剂药柱

该模型来源是根据某Φ300mm发动机点火而得到的经验公式,其具体的应用是点火药为黑火药,主装药为复合推进剂。

计算公式为:

\({{m}_{ig}}=1.4{{h}_{t}}\left( 9.6{{A}_{t}}\sqrt{K}+5.7{{V}_{fic}} \right)\)                  (5-32)

公式参数分别为:

mig— 点火药量(g);

ht — 点火温度系数;

Tigr— 主装药柱初始温度(℃); 

At — 喷喉面积(dm3);

K — 主装药柱燃烧面积与发动机喉部面积之比;

Vfic— 包括喷管收敛段在内的发动机燃烧室初始自由容积(dm3)。

该种方法估算点火药量需要输入参数有点火温度系数、主装药柱初始温度、喷喉面积、主装药柱燃烧面积与发动机喉部面积之比、包括喷管收敛段在内的发动机燃烧室初始自由容积。

(2)黑火药点燃双基推进剂药柱

该模型是根据所需的点火能量估算的经验公式,主要适用与点火药为黑火主装药为双基推进剂的情况。

计算公式:

\({{\text{m}}_{\text{ig}}}=4.65\times {{10}^{-2}}A_{p}^{1.1}L_{p}^{0.72}\)                  (5-33)

公式参数:

mig— 点火药量(g);  

Ap — 主装药柱的通气面积(cm2);

Lp — 主装药柱长度(cm)。

该种方法估算点火药量需要输入参数主装药柱的通气面积、主装药柱长度

(3)黑火药点燃多根管状双基推进剂

该模型公式是(5-19),主要适用于点火药为黑火药主装药为多根管状双基推进剂。

(5-19)式是针对黑火药点燃多根管状双基推进剂药柱而得到,当Lp/dc=5时,可以简化为(5-18)式。

由于多数野战火箭发动机的装填密度约为1kg/dm3,所以上式可进一步简化为:

\({{m}_{ig}}=16{{\left( {{A}_{b}}{{A}_{t}} \right)}^{0.5}}\)                       (5-34)

该种方法估算点火药量需要输入参数有主装药柱燃烧面积、主装药柱质量、燃烧室内径、燃烧室容积。

(4)由统计方法估算黑火药质量

该模型是根据一些点火发动机统计所得的经验公式,主要适用与点火药是黑火药的情况。

计算公式:

\({{m}_{ig}}=0.95{{\left( {{V}_{fic}}{{A}_{b}}{{A}_{p}}{{L}_{p}} \right)}^{0.32}}\)                  (5-35)

公式参数:  

 mig— 点火药量(g);

 Ab— 主装药柱燃烧面积(dm2);

Ap— 主装药柱的通气面积(dm2);

Lp— 主装药柱长度(dm)。

Vfic— 包括喷管收敛段在内的发动机燃烧室初始自由容积(dm3);

该种方法估算点火药量需要输入参数主装药柱燃烧面积、主装药柱通气面积、主装药柱长度、包括喷管收敛段在内的发动机燃烧室初始自由容积。

(5)根据点火压强估算烟火剂药量

该模型是根据点火装置产生的燃气引起发动机燃烧室内压强的变化(点火压强)来确定点火药量,适用于点火药为烟火剂主装药为复合推进剂的情况。

计算公式为(5-14)式。 

该种方法估算点火药量需要输入参数考虑点火药能量损失、工作环境等的修正系数、点火高度、点火压强、点火药燃气的凝聚相分数、摩尔气体常数、点火药燃气的摩尔质量、点火药燃气的定压燃烧温度、点火药燃气的热损失分数、点火药燃气的比热比。

(6)根据主发动机初始自由容积估算烟火剂药量

该模型是根据主发动机初始自由容积估算烟火剂药量,适用于点火药为烟火剂主装药是复合推进剂的情况。

计算公式为(5-13)式。 

该种方法估算点火药量需要输入参数包括喷管收敛段在内的发动机燃烧室初始自由容积、主装药柱燃面与喉面之比、常数。

(7)根据同类发动机估算烟火剂药量

该模型是根据同类发动机估算烟火剂药量,适用于点火药为烟火剂主装药是复合推进剂的情况。

计算公式:

\({{m}_{ig}}={{m}_{ig0}}{{\left( \frac{{{A}_{b}}}{{{A}_{b0}}} \right)}^{0.435}}{{\left( \frac{{{L}_{p}}}{{{L}_{p0}}} \right)}^{0.625}}{{\left( \frac{{{A}_{p}}}{{{A}_{p0}}} \right)}^{0.313}}\)            (5-36)

公式参数:  mig  — 点火药量();

mig0 — 已知发动机点火药量(g);

Ab0 — 已知发动机主装药柱的燃烧面积;

Ap0 — 已知发动机主装药柱的通气面积;

Lp0 — 已知发动机主装药柱的长度;

Ab  — 新设计发动机主装药柱的燃烧面积;

Ap  — 新设计发动机主装药柱的通气面积;

Lp  — 新设计发动机主装药柱的长度。

该种方法估算点火药量需要输入参数有已知发动机点火药量、已知发动机主装药柱的燃烧面积、已知发动机主装药柱的通气面积、已知发动机主装药柱的长度、新设计发动机主装药柱的燃烧面积、新设计发动机主装药柱的通气面积、新设计发动机主装药柱的长度。

(8)根据喷喉面积估算点火发动机所需点火药量

该模型是根据喷喉面积估算点火发动机所需点火药量,适用于各种点火药和各种主装药。

计算公式为(5-22)。

点火流量系数CD一般取7~21g/s.cm2,通常取14 g/s.cm2,当采用头部点火时,可取7 g/s.cm2,当点火药不易喷射到主装药柱表面时,CD>7g/s.cm2

该种方法估算点火药量需要输入参数包括喷管收敛段在内的主发动机燃烧室初始自由容积、主发动机喷喉面积、点火药燃气的特征速度、点火药燃气的比热比、点火流量系数。

(9)根据主发动机推力估算点火发动机所需点火药量

该模型是当点火药柱选定时,经验证明,点火发动机质量流量近似与主发动机推力成正比。因而适用的范围比较广,其对点火药和主装药没有苛刻的要求。

计算公式: 

\({{\dot{m}}_{ig}}={F}/{v_{ig}^{*}}\;\)                            (5-37)

该种方法估算点火药量需要输入参数包括喷管收敛段在内的主发动机燃烧室初始自由容积、主发动机喷喉面积、点火药燃气的特征速度、点火药燃气的比热比、主发动机推力、点火特征速度。

5.6.3  点火器结构设计

常见的点火发动机结构可以概括成管式、网式、环式和点火发动机,如图(5-21)所示,管式、网式、环式三种点火器的结构形式不近相同,但是这三种结构形式与点火发动机来比较结构相对简单。同时这三种结构的设计有很多共同点。结构设计包括壳体材料的选择、点火器壁厚的确定、点火器燃烧室长度的确定、点火器排气孔的设计,同时还应给出设计的结构的总质量。

a-环形点火器,

b-网式点火器,

c-管式点火器

d-点火发动机

图5-21  常见点火器结构

(1)点火器壳体材料选择

药盒材料一般选择0.3~0.5mm的工业纯铝板冲压成型,药盒本身能够迅速熔化烧掉,防止碎片堵塞燃气通路或喉部。

(2)点火器壳体壁厚确定

1)基本假设:对所要设计的三种点火器,均将其燃烧室考虑为薄壁圆筒模型。根据最大压强确定所需的最小壁厚。

2)计算公式:

\({{\delta }_{c}}=\frac{k{{P}_{\max }}{{r}_{c}}}{2.309{{\sigma }_{b}}-k{{P}_{\max }}}\)                        (5-38)

\({{R}_{c}}={{r}_{c}}+{{\delta }_{c}}\)                             (5-39)

k——安全系数;                Pmax——圆筒内最大压强;

δc——壁厚;                    Rc  ——圆筒平均半径;

бb——壳体材料许用应力;       rc——圆筒内半径。

其中所需的数据主要有安全系数、圆筒内最大压强、圆筒内径,用于壁厚的设计。

(3)点火器燃烧室长度确定

1)基本假设:点火器内径和点火器的装填密度为输入数据,燃烧室长度由点火药量确定,对应于一定的装填密度。

2)计算公式:

\({{L}_{ig}}=\frac{{{{m}_{ig}}}/{{{\rho }_{ig}}}\;}{{{\eta }_{v}}\pi r_{c}^{2}}\)                             (5-40)

k——安全系数;                mig——点火药量;

t——点火器壳体壁厚;          ηv——点火器的装填密度;

Lig——点火器燃烧室长度;      ρig——点火药密度;

R——圆筒平均半径,采用(5-39)式计算;

(4)点火器排气孔设计

1)基本假设:对于管式点火器、网式点火器、环型点火器,燃烧室压强取最大压强,对应燃烧面积取最大燃面。

2)计算公式:

\({{A}_{tig}}=a{{\rho }_{ig}}c_{ig}^{*}{{A}_{big}}/P_{cig}^{1-n}\)                      (5-41)

Atig——火器排气孔总面积;             a——点火药燃速系数;        

ρig——点火药密度;                   Cig*——点火药特征速度;

Abig——点火药最大燃烧面积;           Pcig——点火器内最大压强。

(5)点火器壳体质量估算

1)基本假设:点火器壳体简化为一个一端开口的圆柱。

2)计算公式:

\({{m}_{shell}}={{\rho }_{m}}\pi \left\{ [2({{r}_{c}}+{{\delta }_{c}}){{L}_{ig}}-{{A}_{tig}}]+{{({{r}_{c}}+{{\delta }_{c}})}^{2}} \right\}{{\delta }_{c}}\)         (5-42)

mshell——点火器壳体质量;         ρm——点火器壳体密度;

t——点火器壳体壁厚;            Lig——点火器燃烧室长度;

Atig——点火器排气孔总面积。

流程逻辑:

  • 从金属材料数据库中选择点火器壳体材料;
  • 给壳体材料类型参数、壳体密度参数、壳体许用应力参数赋值;
  • 输入点火器内最大工作压强、壳体安全系数、壳体平均半径;
  • 由(5-38)式计算壳体最小壁厚;
  • 根据壳体最小壁厚确定壳体壁厚。
  • 输入点火器的点火药质量和装填密度;
  • 由(5-40)式计算点火器燃烧室长度;
  • 输入点火药燃速系数、点火药密度、点火药特征速度、点火药最大燃烧面积;
  • 由(5-41)式计算点火器排气孔总面积;
  • 输入单个排气孔面积;
  • 计算排气孔个数;
  • 输入每列的排气孔数目;
  • 计算排气孔的列数;
  • 输入每两列排气孔间的间距和列内排气孔的间距。
  • 由(5-42)式计算点火器壳体质量。

5.6.4  点火药设计

点火药的设计计算与主装药的设计计算类似,本书根据点火系统的特点,点火药分为:药粒点火药、药环点火药、药片点火药、管状点火药、星形点火药和车轮形点火药(图5-22),选择何种形式要与主装药、点火器结构和点火药种类相协调。

(a)药粒点火药 

 (b)药环点火药 

 (c)药片式点火药  

(d)管式点火药

(e)星形点火药                          

(f)车轮形点火药

图5-22 点火药结构形式

(1)药粒点火药

药粒点火药一般是对黑火药而言的,其形状为球形,参数是球的直径D,粒数n,黑火药根据其粒度进行分类,详细参见5.4节点火装置设计。

\({{A}_{b}}=\pi n{{\left( D-2w \right)}^{2}}\)

\(n=\frac{6{{m}_{ig}}}{{{\rho }_{ig}}\pi {{D}^{3}}}\)

(2)药环点火药

药环点火药一般是烟火剂而言的,参数是外径D、内径d、厚度H、片数n,其燃面肉厚计算较为简单。

\({{A}_{b}}=n\pi \left\{ [\frac{1}{4}({{D}^{2}}-{{d}^{2}})\times 2+(D+d)H]-4w(D+d) \right\}\)

(3)药片点火药

药片点火药一般是烟火剂而言的,参数是外径D、厚度H、片数n。

\({{A}_{b}}=M\left[ \frac{\pi }{4}{{\left( {{D}_{0}}-2w \right)}^{2}}\times 2+\pi \left( {{D}_{0}}-2w \right)\left( {{h}_{0}}-2w \right) \right]\)

\({{A}_{b}}=n\left[ \frac{\pi }{4}{{\left( {{D}_{0}}-2w \right)}^{2}}\times 2+\pi \left( D-2w \right)\left( H-2w \right) \right]\)

(4)管型点火药

药环点火药一般是烟火剂,参数是外径D、内径d、长度L、根数n,其燃面肉厚计算与多根管状装药相同。

(5)星形点火药

星形点火药一般是高燃速推进剂,用于点火发动机,参数是外径D、肉厚e1、星根过渡圆弧半径r,星尖工艺半径r1,星边夹角,长度L、星角数n,其燃面肉厚参照装药设计一章。

(6)车轮形点火药

车轮形点火药一般是高燃速推进剂,用于点火发动机,参数是外径D、肉厚e1、轮辐过渡圆弧半径r、工艺半径r1、夹角、长度L、轮辐数n,其燃面肉厚参照装药设计一章。

其它药型可以进行自定义,由装药交互设计来完成。

设计首先确定点火药的几何参数,然后根据点火药量计算点火药所需要的根数或药粒数量,最后计算点火药燃面肉厚的关系。

5.6.5  点火药质量流率计算

点火药燃面肉厚计算后,结合点火器结构可以进行点火器质量流率的计算,为主发动机内弹道计算提供点火质量流率数据。

(1)基本假设:计算点火器流量首先需要计算点火器内弹道p-t曲线,然后根据超临界流动条件,计算流量变化规律;内弹道计算采用零维模型,假设:

  • t=0时刻,整个装药瞬时全表面燃烧;
  • 气体流动为零维非定常流动;
  • 气体为理想气体。

(2)计算公式

\(q=\frac{\phi }{\sqrt{x}}{}^{p{{A}_{t}}}/{}_{{{c}^{*}}}\)                         (5-43)

p——点火器壳体内压强;           At——点火器喷孔面积;

C*——点火药特征速度;             \(\varphi \)——流量损失系数;

\(x\)——热损失系数。 

根据质量,能量守恒定理可以得到如下的计算方程:

   \(\frac{d\rho }{dt}=\frac{1}{{{V}_{c}}}[({{\rho }_{p}}-\rho ){{A}_{b}}{{r}_{b}}-\frac{pA}{{{c}^{*}}}]\)                     (5-44)

\(\frac{dp}{dt}=\frac{1}{{{V}_{c}}}({{\rho }_{p}}{{A}_{b}}{{r}_{b}}\gamma R\chi {{T}_{p}}-\frac{p{{A}_{t}}}{{{C}^{*}}}\gamma RT-p{{A}_{b}}{{r}_{b}})\)             (5-45)

\(\frac{d{{V}_{c}}}{dt}={{A}_{b}}{{r}_{b}}\)                           (5-46)

\(\frac{dw}{dt}={{r}_{b}}\)                             (5-47)

\(p=\rho RT\)                            (5-48)

\({{r}_{b}}={{a}_{0}}{{e}^{{{\alpha }_{T}}({{T}_{i}}-{{T}_{0}})}}{{p}^{n}}\)                         (5-49)

 

ρp——点火药密度;

Tp——点火药定压燃烧温度;             

C*——点火药特征速度;

Cv——点火药燃气定容比热;             

Cp——点火药燃气定压比热;

γ——点火药燃气比热比;               

Ab——点火药燃烧面积;

rb——点火药燃烧速度;                  

p——点火药燃气压强;

ρ——点火药燃气密度

R——点火药燃气气体常数;

T——点火药燃气温度;

Vc——点火器自由容积;

At——点火器排气孔面积;

χ——热损失系数;

w——点火药燃去肉厚;

a0——标准温度下的燃数系数;

Ti——点火药表面初始温度;

T0——标准温度;

аT——温度敏感系数;

 

(3)计算步骤

  • 输入点火药外形参数;
  • 用四阶龙格-库塔法求解方程组(5-44)~(5-49),得压强-时间变化关系;
  • 用(5-43)式计算流量-时间变化关系。

点火器的形式千差万别,主要是考虑适应装药的形式、壳体的形式、安放的位置,保证安装、使用及维护方便。

 

思 考 题

 

1.点火器的功能是什么?设计要求有哪些?

2.什么是固体火箭发动机的点火延迟时间?什么是药柱点火延迟期?

3.为什么说点火延迟时间是发动机的一个重要参数?影响药柱点火延迟时间的因素有哪些?试分析说明。

4.什么是发动机的点火压强峰?影响因素有哪些?

5.什么叫电发火管的“发火冲能”?什么叫电发火管的“最大安全电流”和“最小发火电流”?

6.在检测电发火管的电阻时,应注意什么?

7.选择点火药时,有哪些要求?

8.黑色火药和烟火剂作点火药时,各有什么优缺点?

9.常用的点火药量的计算公式有哪些?其适用条件有哪些?

10.点火器的电保险机构和机械保险机构的原理是什么?简要述之。

11.什么是点火发动机?点火发动机的工作时间是怎样确定的?

 

1 对 “第五章  点火与点火装置设计”的想法;

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

You cannot copy content of this page