胡曉龍，屠小昌，楊樹(shù)彬，楊安民，張國(guó)興，李 明

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

近年來(lái)，由于燃?xì)獍l(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、作用迅速等特點(diǎn)，已在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在燃?xì)獍l(fā)生器的應(yīng)用中，其燃燒氣體大多經(jīng)過(guò)喉徑細(xì)小的噴嘴、鋁制或者鋼制管道，吹動(dòng)渦輪帶動(dòng)電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)。如果燃?xì)獾娜紵龤怏w溫度過(guò)高，會(huì)損害流經(jīng)裝置的安全性能甚至直接造成意外事故。特別是利用燃?xì)獍l(fā)生器作氣源裝置時(shí)，對(duì)其燃?xì)獾臏囟扔懈鼑?yán)格的限制。

目前，國(guó)內(nèi)外有許多方法獲得低燃溫燃?xì)猓钪苯雍妥钣行У耐緩绞沁\(yùn)用低燃溫主裝藥，然而在低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的研制過(guò)程中出現(xiàn)了點(diǎn)火難的問(wèn)題，因此對(duì)低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火技術(shù)的研究十分必要。

1 點(diǎn)火理論分析

在工程上規(guī)定：從點(diǎn)火訊號(hào)或指令給出的時(shí)刻起到初始?jí)簭?qiáng)pi建立為止，其間所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔稱為點(diǎn)火延遲時(shí)間tdi[1]。點(diǎn)火延遲時(shí)間tdi是衡量燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火性能的主要指標(biāo)，若點(diǎn)火延遲時(shí)間超過(guò)規(guī)定值，便認(rèn)為該燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火不可靠。

根據(jù)點(diǎn)火理論的溫度點(diǎn)火準(zhǔn)則，只要藥柱表面溫度Ts達(dá)到藥柱的點(diǎn)火溫度Td時(shí)，就認(rèn)為藥柱被點(diǎn)燃。假設(shè)燃?xì)鈱?duì)藥柱表面的熱交換為一元問(wèn)題，藥柱為半無(wú)限大物體，燃?xì)庾袷乩硐霘怏w定律，則時(shí)間τ的表達(dá)式：

由式（1）可知，影響τ的因素可分為4大類：（1）藥柱的物理化學(xué)性質(zhì)和初始溫度：低燃溫推進(jìn)劑中添加一定比例的降溫劑，不僅改變了低燃溫推進(jìn)劑藥柱的物理化學(xué)性能，并使其燃燒性能變差，從而造成了低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火難的問(wèn)題。（2）點(diǎn)火藥性質(zhì)：點(diǎn)火藥的燃燒氣體溫度Tg越高，點(diǎn)火延遲時(shí)間τ越小。點(diǎn)火藥量過(guò)少，會(huì)使τ增大或者造成瞎火。點(diǎn)火藥量過(guò)多，反而會(huì)引起過(guò)高的點(diǎn)火壓強(qiáng)峰，并對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器的安全性造成影響[2]。（3）燃?xì)獍l(fā)生器的結(jié)構(gòu)：燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室自由容積V越大，點(diǎn)火壓強(qiáng)建立的時(shí)間增大，則會(huì)使τ加大。但V過(guò)小，點(diǎn)火燃?xì)庠谒幹砻嫱Ａ魰r(shí)間短，藥柱表面很難建立起必要厚度的加熱層，也會(huì)使τ增大[4]。（4）點(diǎn)火器的數(shù)量及安裝位置：點(diǎn)火器放在燃?xì)獍l(fā)生器的頭部，會(huì)使點(diǎn)火燃?xì)馊苛鹘?jīng)藥柱表面，采用多個(gè)點(diǎn)火器，可獲得較短的點(diǎn)火延遲期。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

由于本文低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的研究依托于某減震氣囊用低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的研制，要求燃?xì)獍l(fā)生器裝藥燃燒產(chǎn)物潔凈，含微量凝固相成分及腐蝕性氣體，不能含金屬凝固相粒子，以防止凝固相粒子對(duì)氣囊的局部燒傷損壞及腐蝕性氣體對(duì)氣囊的腐蝕性損壞。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，確定低燃溫推進(jìn)劑為ZKT推進(jìn)劑，點(diǎn)火藥為黑火藥，采用單個(gè)點(diǎn)火器且安裝在低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的頭部，主裝藥采用管狀內(nèi)孔燃燒形式，外圓柱面及前后端面包覆。使點(diǎn)火藥燃?xì)獬浞至鹘?jīng)藥柱表面，以對(duì)流、沖擊等形式進(jìn)行熱交換，保證了低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火可靠性。

低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火試驗(yàn)裝置如圖1所示，被測(cè)試的低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器通過(guò)夾具固定連接在鐵制的試驗(yàn)臺(tái)上，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室外殼預(yù)留測(cè)壓孔，采用ZQ-Y1型壓力傳感器，使用預(yù)緊扭力扳手安裝，安裝完畢后連接測(cè)試線，通過(guò)多通道瞬態(tài)記錄儀采集數(shù)據(jù)。瞬態(tài)記錄儀全程記錄燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化情況。

圖1 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.1 Photo of experimental setup of gas generator with low combustion temperature

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在其余部件相同且試驗(yàn)條件相同的情況下設(shè)計(jì)低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器1和2，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器1的主裝藥頂端墊4片2mm厚的絕熱橡膠環(huán)，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器2的主裝藥底端墊4片2mm厚的絕熱橡膠環(huán)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。先后進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器1點(diǎn)火成功，正常工作；低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器2主裝藥未能成功點(diǎn)燃，未正常工作。試驗(yàn)中測(cè)得500ms內(nèi)的p——t曲線對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖2 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.2 Structure comparision chart of low combustion temperature gas generator

圖3 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器p——t曲線Fig.3 p——t curve of gas generator

從圖3可知，在40ms內(nèi)兩個(gè)燃?xì)獍l(fā)生器的p——t曲線相差不大，且點(diǎn)火壓強(qiáng)峰亦無(wú)大的差別，160ms時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器1燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)下降到4MPa左右，成功點(diǎn)燃主裝藥，開(kāi)始正常工作；燃?xì)獍l(fā)生器2中主裝藥未能正常燃燒，220ms時(shí)燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)下降為0。

兩個(gè)低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器使用了相同的低燃溫推進(jìn)劑，采用了相同的點(diǎn)火器，且點(diǎn)火器的安裝位置和數(shù)量相同，點(diǎn)火藥量和點(diǎn)火藥的性質(zhì)也相同；在基本相同的外部條件下進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，外部環(huán)境的溫度和濕度以及主裝藥的初溫也相同。而唯一的差別是4片2mm的絕熱橡膠環(huán)安放位置的不同，從而造成了燃燒室內(nèi)主裝藥和點(diǎn)火組件的相對(duì)位置的變化，降低了點(diǎn)火燃?xì)馀c主裝藥表面的對(duì)流沖擊帶來(lái)的熱交換。

低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火過(guò)程是一個(gè)短暫而復(fù)雜的過(guò)程[4]，實(shí)驗(yàn)中采用的低燃溫推進(jìn)劑屬于復(fù)合推進(jìn)劑范疇，其燃燒過(guò)程大體上可以看作平行層燃燒。復(fù)合推進(jìn)劑在一定壓強(qiáng)下可以自持燃燒，而自持燃燒有一個(gè)壓強(qiáng)下限，若壓強(qiáng)低于此限則不能自持燃燒。所以，低燃溫推進(jìn)劑的點(diǎn)火不僅需保證在有效時(shí)間內(nèi)燃燒室內(nèi)建立起一定壓強(qiáng)，并且需要保證點(diǎn)火燃?xì)庠谒幹砻嬗凶銐虻臏魰r(shí)間，以保證點(diǎn)火燃?xì)馀c主裝藥表面進(jìn)行足夠的熱交換，從而點(diǎn)燃推進(jìn)劑主裝藥。

通過(guò)上述的分析，為了保證低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火可靠性，對(duì)低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火器組件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)改進(jìn)點(diǎn)火藥的結(jié)構(gòu)，增加了點(diǎn)火藥的燃燒時(shí)間，從而增加對(duì)低燃溫推進(jìn)劑藥柱的持續(xù)供能時(shí)間；通過(guò)對(duì)點(diǎn)火器組件中螺堵的改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加了點(diǎn)火燃?xì)馀c主裝藥表面的對(duì)流沖擊換熱，保證藥柱表面迅速地建立起加熱層。再次進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)，結(jié)果成功點(diǎn)燃低燃溫推進(jìn)劑裝藥，低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器按設(shè)計(jì)要求正常工作。試驗(yàn)中測(cè)得燃燒室內(nèi)的p——t曲線如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)：（1）測(cè)試的點(diǎn)火壓強(qiáng)峰值為17.6MPa，點(diǎn)火燃?xì)饪煽奎c(diǎn)燃低燃溫推進(jìn)劑，燃燒室壓強(qiáng)經(jīng)歷上升段、工作段和下降段，滿足設(shè)計(jì)要求。（2）p——t曲線與內(nèi)彈道理論計(jì)算的p——t的曲線基本相同。

圖4 低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器p——t曲線Fig.4 p——t curve of low combustion temperature gas generator

4 結(jié) 論

通過(guò)采用端燃形式的傳火藥柱以增加點(diǎn)火燃?xì)獾某掷m(xù)燃燒時(shí)間，保證了點(diǎn)火燃?xì)鈱?duì)主裝藥的持續(xù)作用時(shí)間；點(diǎn)火組件中通過(guò)設(shè)計(jì)傳火孔及出口處角度，增加了點(diǎn)火燃?xì)馀c藥柱表面的對(duì)流沖擊換熱，有效地解決了低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火難的問(wèn)題。本研究對(duì)今后低燃溫燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火裝置的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

[1]王光林.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1994.

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[3]李慶,李清廉,王振國(guó).燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒性能的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2008,23(11):2 062-2 067.

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