盧福剛

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

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自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火沖擊研究

盧福剛

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

大部分反坦克導(dǎo)彈采用自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。這些導(dǎo)彈在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間出現(xiàn)了與人們經(jīng)驗(yàn)思維相背的后坐現(xiàn)象,且因后坐過(guò)載量值較大致使部分彈載部件失效,造成飛行試驗(yàn)失敗。為了解釋這種“異?！爆F(xiàn)象,研究后坐過(guò)載量值與哪些因素有關(guān)。文中開(kāi)展了機(jī)理分析,建立了分析模型,進(jìn)行了計(jì)算分析,并與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,形成了結(jié)論性意見(jiàn)和建議,期望達(dá)到指導(dǎo)該類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火具設(shè)計(jì)以及彈載易損部件緩沖設(shè)計(jì)的目的。

自由裝填裝藥;固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī);點(diǎn)火沖擊;后坐過(guò)載

0 引言

在某型反坦克導(dǎo)彈發(fā)射飛行試驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈后滑塊的后端被撞出了深約2 mm的凹坑,初步計(jì)算撞擊過(guò)載約1 000g左右。按照反作用工作原理,在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間導(dǎo)彈應(yīng)該向前運(yùn)動(dòng)而不是后坐。在導(dǎo)彈發(fā)射的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間,由于發(fā)射裝置是固定的,因此滑塊后端撞出的凹坑肯定是導(dǎo)彈后坐產(chǎn)生的,但產(chǎn)生的原因卻解釋不清楚,加之在后續(xù)發(fā)射飛行試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)部分彈載部件在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間出現(xiàn)了故障,且原因與該后坐過(guò)載有關(guān)。為了解釋這種“異?！焙笞F(xiàn)象,研究后坐過(guò)載與哪些因素有關(guān),文中從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火及工作過(guò)程[3]入手,開(kāi)展了機(jī)理分析,建立了分析模型,進(jìn)行了計(jì)算分析,并與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)。

1 自由裝填和貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)[2]簡(jiǎn)述

1.1 自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般由殼體、補(bǔ)償墊、裝藥、點(diǎn)火具、噴管和噴管堵等組成,見(jiàn)圖1所示,其中的點(diǎn)火具由電起爆器、高能點(diǎn)火藥和藥盒組成。這種發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)動(dòng)力輸出要求的不同,采用不同的裝藥藥型,形成了單室單推力和單室雙推力兩種類(lèi)型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),分別見(jiàn)圖1和圖2所示。

圖1 自由裝填端面燃燒固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 自由裝填裝藥端側(cè)面同時(shí)燃燒導(dǎo)彈中置點(diǎn)火固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 自由裝填裝藥端側(cè)面同時(shí)燃燒斜置點(diǎn)火固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用后置點(diǎn)火方式,即點(diǎn)火具位于發(fā)動(dòng)機(jī)后端,常用的有中通道點(diǎn)火和斜置點(diǎn)火兩種方式,分別見(jiàn)圖2和圖3所示。

它們的共同特點(diǎn)是需要的點(diǎn)火藥量較大,產(chǎn)生的點(diǎn)火壓強(qiáng)和沖擊較大,點(diǎn)火延遲時(shí)間較小。

1.2 貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火后坐現(xiàn)象與其特有的裝藥結(jié)構(gòu)密切相關(guān),因此在這里有必要對(duì)貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,并在后面對(duì)其點(diǎn)火沖擊進(jìn)行分析。圖4是貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,其裝藥與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體通過(guò)澆鑄固連在一起,且一般都有一個(gè)內(nèi)燃中心通孔,發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作后由內(nèi)燃中心通孔向外燃燒。

圖4 貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用前點(diǎn)火方式,即點(diǎn)火具位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端。優(yōu)點(diǎn)是點(diǎn)火燃?xì)饫寐矢?點(diǎn)火壓強(qiáng)小,點(diǎn)火瞬間噴出物少。

2 點(diǎn)火沖擊分析

2.1 自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

圖5 自由裝填固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為了便于分析問(wèn)題,把自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖5所示的示意圖。其中,補(bǔ)償墊是一個(gè)可壓縮變形的彈性墊子,作用一是發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥在隨環(huán)境溫度變化熱脹冷縮時(shí)不致壓裂和松動(dòng),作用二是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間的爆燃沖擊緩沖,避免發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)破壞;殼體在發(fā)動(dòng)機(jī)未工作時(shí)對(duì)裝藥起固封作用,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)起燃燒室作用;裝藥與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及補(bǔ)償墊不固連,可在一定范圍內(nèi)沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線移動(dòng),是發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生動(dòng)力的儲(chǔ)能材料;點(diǎn)火具在點(diǎn)火電流的作用下,引燃高能點(diǎn)火藥,瞬間產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)?引燃裝藥燃燒,使發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作;噴管堵在發(fā)動(dòng)機(jī)未工作時(shí)對(duì)燃燒室起密封作用,在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中起保證點(diǎn)火壓力作用,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥被點(diǎn)燃、燃燒室壓強(qiáng)劇升至大于破堵壓強(qiáng)Pd時(shí),起可靠破碎、打開(kāi)射流通道作用。下面結(jié)合圖5分析自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程:

1)當(dāng)點(diǎn)火具中的電起爆器有點(diǎn)火電流通過(guò)時(shí),將瞬間引燃高能點(diǎn)火藥爆燃形成高溫、高壓燃?xì)?。根?jù)熱力學(xué)定理[1],任何氣體的壓強(qiáng)P、密度ρ和絕對(duì)溫度T不是彼此獨(dú)立的,其中兩者確定之后,第三者便是確定的。換句話說(shuō),三者之間存在確定關(guān)系,即:

f(P,ρ,T)=0

(1)

值得注意的是,在高能點(diǎn)火藥爆燃的過(guò)程中,式(1)中的P、ρ、T都是隨時(shí)間瞬間激變的[4],是時(shí)間的函數(shù),即:

(2)

若用t0和t1分別表示點(diǎn)火具高能點(diǎn)火藥始燃和爆燃結(jié)束時(shí)刻,用t2表示發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥相對(duì)于殼體運(yùn)動(dòng)靜止的時(shí)刻,則對(duì)應(yīng)時(shí)刻的燃燒室燃?xì)鈮簭?qiáng)、密度和絕對(duì)溫度可分別用P0、ρ0、T0,P1、ρ1、T1,P2、ρ2、T2來(lái)表示。Δt10=t1-t0為點(diǎn)火具高能點(diǎn)火藥整個(gè)爆燃過(guò)程的持續(xù)時(shí)間。Δt20=t2-t0為發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥在燃燒室點(diǎn)火燃?xì)鈮簭?qiáng)和補(bǔ)償墊彈性恢復(fù)力的共同作用下,相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到相對(duì)靜止的持續(xù)時(shí)間。Δt21=t2-t1為點(diǎn)火具高能點(diǎn)火藥爆燃結(jié)束到發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥相對(duì)殼體運(yùn)動(dòng)靜止的持續(xù)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明:Δt10是微秒級(jí)的,Δt20和Δt21是毫秒級(jí)的。

2)自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥(質(zhì)量用My表示)在點(diǎn)火過(guò)程中的受力情況可用圖6表示,其中,FPL是燃燒室的壓強(qiáng)P產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫?如果用S表示發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的端面面積,則:

FPL=P×S

(3)

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥受力情況示意圖

(4)

(5)

式(5)中的P2可以按式(6)近似計(jì)算。

(6)

式(6)中的X21為Δt21時(shí)段發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥向前運(yùn)動(dòng)的距離。若用FTR表示發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥相對(duì)于殼體運(yùn)動(dòng)擠壓補(bǔ)償墊產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力,用K表示補(bǔ)償墊的彈性恢復(fù)力系數(shù),用X表示補(bǔ)償墊被壓縮的行程,則:

FTR=K×X

(7)

依據(jù)式(3)、式(4)和牛頓定律,則在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥運(yùn)動(dòng)加速度:

(8)

3)除發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥之外的彈體(質(zhì)量用MD表示)的受力情況見(jiàn)圖7所示,圖中僅畫(huà)了發(fā)動(dòng)機(jī)殼體部分。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火壓強(qiáng)設(shè)計(jì)[5]原則,點(diǎn)火具高能點(diǎn)火藥爆燃結(jié)束時(shí)的燃燒室壓強(qiáng)P1應(yīng)該小于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管堵的破堵壓強(qiáng)Pd。因此,從圖5中可知:FTL和FTR、FPL和FPR是作用力和反作用力的關(guān)系,因而有|FTL|=|FTR|、|FPL|=|FPR|。依據(jù)牛頓定律,在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中,除發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥之外的彈體運(yùn)動(dòng)加速度:

(9)

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體受力情況示意圖

4)算例:某導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火具的高能點(diǎn)火藥質(zhì)量MDH為10 g,發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的端面面積S為0.022 69 m2,初始燃燒室容積V0為0.002 27 m3,點(diǎn)火具爆燃結(jié)束時(shí)刻的燃燒室壓強(qiáng)P1為2 MPa,破堵壓強(qiáng)Pd為3 MPa,發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的質(zhì)量My為11 kg,除發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥之外的彈體質(zhì)量MD為39 kg,發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)后坐距離為2.1 mm,其余計(jì)算條件略。利用上述公式,經(jīng)計(jì)算可得:除發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥之外彈體的最大點(diǎn)火過(guò)載加速度為998.9g,持續(xù)時(shí)長(zhǎng)0.97 ms,與導(dǎo)彈發(fā)射飛行試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

5)分析結(jié)論:正因?yàn)樽杂裳b填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向是自由可移動(dòng)的,根據(jù)動(dòng)量守恒原理,當(dāng)其在點(diǎn)火具起爆形成的劇升內(nèi)壓強(qiáng)作用下向前運(yùn)動(dòng)時(shí),除發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥之外的彈體必然向后運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生了發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火具爆燃瞬間的彈體劇烈后坐和大沖擊過(guò)載現(xiàn)象。

2.2 貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

為了便于分析問(wèn)題,把貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖8所示的示意圖。下面結(jié)合圖8分析貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和工作過(guò)程:

圖8 貼壁澆鑄固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1)當(dāng)點(diǎn)火具中的電起爆器有點(diǎn)火電流通過(guò)時(shí),將瞬間引燃其中的高能點(diǎn)火藥爆燃形成高溫、高壓燃?xì)?。由于中通貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火具一般設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)的前端,且裝藥與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體固連一體見(jiàn)圖8所示,因此高溫、高壓燃?xì)猱a(chǎn)生的內(nèi)壓力首先作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端,使整個(gè)導(dǎo)彈向前運(yùn)動(dòng),與此同時(shí),高溫、高壓燃?xì)庋刂型ǖ姥杆傧蚝髠鞑?并在噴管堵沒(méi)有被沖開(kāi)、發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥沒(méi)有被點(diǎn)燃之前,在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部瞬間達(dá)到壓力平衡,也使之前使整個(gè)導(dǎo)彈向前運(yùn)動(dòng)的作用力瞬間減小為零。

2)根據(jù)測(cè)試,上述壓力從產(chǎn)生到平衡的時(shí)間履歷是0.1 ms級(jí)的,且在該過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥被幾乎同時(shí)點(diǎn)燃開(kāi)始燃燒。

3)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的壓強(qiáng)大于噴管堵的破堵壓強(qiáng)時(shí),噴管堵被沖破,隨之高溫、高壓燃?xì)鈴陌l(fā)動(dòng)機(jī)噴喉噴出,產(chǎn)生使導(dǎo)彈向前運(yùn)動(dòng)的反作用力。因此,在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)后坐現(xiàn)象。

4)分析結(jié)論:正因?yàn)橘N壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥與殼體是固連的,在其點(diǎn)火過(guò)程中,雖然高能點(diǎn)火藥爆燃同樣在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)瞬間產(chǎn)生了高溫、高壓燃?xì)?形成了內(nèi)部壓強(qiáng),但由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部沒(méi)有可移動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥,無(wú)法產(chǎn)生內(nèi)部運(yùn)動(dòng)沖量,而是通過(guò)瞬間內(nèi)部傳播達(dá)到平衡狀態(tài),并均勻作用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)腔表面,被發(fā)動(dòng)機(jī)殼體“吸收”,不會(huì)產(chǎn)生彈體瞬間后坐現(xiàn)象和大沖擊過(guò)載現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析,形成如下研究結(jié)論:

1)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理作用過(guò)程。

2)自由裝填和貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生沖擊過(guò)載,但在同等點(diǎn)火條件下,自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火沖擊過(guò)載量值遠(yuǎn)大于貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

3)自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火過(guò)程中必然產(chǎn)生彈體后坐現(xiàn)象,且其沖擊過(guò)載量值與點(diǎn)火具中的高能點(diǎn)火藥的燃速、藥量以及發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的質(zhì)量正相關(guān),與點(diǎn)火空間的初始容積和補(bǔ)償墊的彈性模量負(fù)相關(guān)。

4)貼壁澆鑄裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火過(guò)程中同樣會(huì)產(chǎn)生彈體前沖或后坐現(xiàn)象。當(dāng)點(diǎn)火具位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端時(shí)產(chǎn)生彈體前沖現(xiàn)象;當(dāng)點(diǎn)火具位于發(fā)動(dòng)機(jī)后端時(shí)產(chǎn)生后坐現(xiàn)象。

5)對(duì)于采用自由裝填裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈,在進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火沖擊過(guò)載對(duì)其工作性能和可靠性的影響。

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Study on Ignition Shock of Free-grain-fed Solid Propellant Rocket Motor

LU Fugang

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

Most antitank missiles use free-grain-fed solid rocket motors as propulsion units. At the instant of motor ignition, these missiles have recoil phenomenon against people’s experience thoughts, and bigger recoil overload magnitude makes parts of missile-borne components be ineffective, causing failure of flight test. To explain this “abnormal” phenomenon, factors being related with recoil overload magnitude were studied. In this paper, mechanism was analyzed, analysis model was built, calculation analysis was conducted, and the results were compared with the test results. Finally, conclusion and suggestion were formed. It is expected to achieve the goal of guiding igniter design for this type of motor as well as damping design for missile-borne vulnerable parts.

free-fed grain; solid rocket motor; ignition shock; recoil phenomenon

2015-04-27

盧福剛(1964-),男,陜西人,研究員,博士,研究方向:武器系統(tǒng)總體。

V435

A