顏 密, 田小濤, 王紹增, 陳俊屹, 湯 祥, 黃 萌

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

固體火箭發(fā)動機對快烤的響應(yīng)特性是固體火箭發(fā)動機低易損性[1-2]的重要組成部分，具體是指固體火箭發(fā)動機在受到外界火焰直接作用下做出不反應(yīng)、燃燒、爆燃、爆炸、爆轟等響應(yīng)的性能[3]。

李高春等[4]對固體火箭發(fā)動機在外界熱源作用下的加熱過程進行了數(shù)值模擬，分析了固體火箭發(fā)動機內(nèi)部的推進劑在外界熱源作用下的燃燒特點，并確定了發(fā)動機產(chǎn)生熱危險性的臨界溫度和起始燃燒時間。原渭蘭等[5]對艦載導(dǎo)彈烤燃進行了數(shù)值研究，建立了艦載導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機烤燃過程數(shù)值模型，分析了發(fā)動機的溫度-時間分布曲線、溫度-空間分布曲線和著火延遲時間。齊強等[6]介紹了艦載導(dǎo)彈發(fā)射艙相鄰艙室起火時火源對艙內(nèi)導(dǎo)彈的烤燃研究方法，分析了影響烤燃過程的各種因素，建立了一般烤燃傳熱數(shù)學(xué)模型，模擬計算了某型導(dǎo)彈烤燃溫度-時間的變化過程。梁國定等[7]提出在對固體火箭發(fā)動機烤燃進行數(shù)值計算時，應(yīng)考慮接觸熱阻的對傳熱過程的影響，并給出了有無接觸熱阻情況下的推進劑起始燃燒時間。

Lan Pwell[8]指出固體火箭發(fā)動機的殼體結(jié)構(gòu)和裝藥結(jié)構(gòu)是影響發(fā)動機熱響應(yīng)程度的關(guān)鍵因素之一。Cocchiaro等[9]提出在快速加熱環(huán)境下的貼壁澆注發(fā)動機的失效機制。與貼壁澆注的發(fā)動機不同，自由裝填的固體火箭發(fā)動機殼體與裝藥之間一般留有裝配間隙，殼體上涂有絕熱涂料，裝藥外側(cè)裹有包覆層等。發(fā)動機結(jié)構(gòu)的不同會導(dǎo)致其快烤響應(yīng)機制產(chǎn)生差異。

本文針對一種自由裝填固體火箭發(fā)動機對快烤的響應(yīng)特性進行試驗研究和理論分析。搭建了固體火箭發(fā)動機快烤試驗平臺，進行了全尺寸的自由裝填固體火箭發(fā)動機快烤試驗。通過對發(fā)動機快烤試驗過程和試驗結(jié)果進行分析，給出了被試發(fā)動機的分階段響應(yīng)特性、響應(yīng)時間和響應(yīng)等級。通過對被試發(fā)動機的解體過程和剩余裝藥殘骸進行分析，總結(jié)分析了被試發(fā)動機的快烤失效機制。

1 試驗

固體火箭發(fā)動機快烤試驗系統(tǒng)包括被試發(fā)動機、油池系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及驗證板，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 固體火箭發(fā)動機快烤試驗系統(tǒng)示意圖

被試發(fā)動機為自由裝填固體火箭發(fā)動機，由自由裝填裝藥、燃燒室、尾管和噴管組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。自由裝填裝藥由一級裝藥、二級裝藥和包覆層組成。一級裝藥結(jié)構(gòu)為盲星孔加端燃，采用高燃速改性雙基推進劑；二級裝藥結(jié)構(gòu)為端燃，采用低燃速改性雙基推進劑；包覆層為三元乙丙橡膠。其中，兩種推進劑的主要成分皆為硝化棉、硝化甘油、黑索金、奧克托金、鋁顆粒和安定劑，皆為非鈍感推進劑。燃燒室殼體材料為高強度鋼，燃燒室殼體內(nèi)壁涂有隔熱涂料。隔熱涂料內(nèi)壁面和裝藥外壁面留有裝配間隙。噴管收斂段裝有防潮堵蓋，材料為聚四氟乙烯。為了避免點火具產(chǎn)生響應(yīng)從而對發(fā)動機的快烤響應(yīng)過程產(chǎn)生干擾，被試發(fā)動機不帶點火具。

油池系統(tǒng)包括油池、燃料、支架、頂桿。其中，油池選用3 mm厚的鋼板焊接，底面1.5 m×1.3 m，高0.7 m；燃料為JETA-1型航空煤油，加注量保證快烤時間大于等于18 min；支架由鋼焊接制成，用于支撐被試發(fā)動機，保證其不掉入油池中；頂桿由鋼制成，用于抵抗發(fā)動機烤燃點火之后形成的推力，限制被試發(fā)動機在試驗中可能產(chǎn)生的移動。

圖2 自由裝填發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖

測溫系統(tǒng)由熱電偶、補償導(dǎo)線及溫度采集模塊組成。6路熱電偶，分別布置在被試發(fā)動機的前后左右上下20 mm處。視頻采集模塊為試驗場高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，3個高清攝像頭分別位于試驗區(qū)的前方100 m、左前方50 m和右前方30 m處。驗證板由Q235A鋼制成，厚度6 mm，2塊驗證板分別位于被試發(fā)動機左右兩側(cè)2 m處。快烤試驗現(xiàn)場布置情況如圖3所示。

圖3 發(fā)動機快烤試驗現(xiàn)場布置情況

2 試驗結(jié)果

參考美軍標(biāo)MIL-STD-2105D的快速烤燃考核試驗方法，將任意2個熱電偶溫度達到550 ℃的時刻值定義為發(fā)動機快烤的起始時刻，即為本次試驗中的0時刻。發(fā)動機快烤試驗過程時間軸如圖4所示。依據(jù)快烤試驗過程中發(fā)動機的不同狀態(tài)，將試驗過程分為兩次響應(yīng)、三個階段。兩次響應(yīng)依次為發(fā)動機點火和發(fā)動機解體，三個階段依次為快烤溫度場建立階段、第一響應(yīng)階段和第二響應(yīng)階段?？炜緶囟葓鼋㈦A段指的是從燃油點火到任意2個熱電偶溫度達到550 ℃的階段。第一響應(yīng)階段指的是任意2個熱電偶溫度達到550 ℃到發(fā)動機點火的階段，該階段的時長為1 min 28 s；第二響應(yīng)階段指的是發(fā)動機點火到發(fā)動機解體的階段，該階段的時長為1 min 43 s。這里將重點對發(fā)動機的第一次響應(yīng)、第二次響應(yīng)、第一響應(yīng)階段和第二響應(yīng)階段進行研究和分析。

圖4 發(fā)動機快烤試驗時間軸

2.1 第一響應(yīng)階段

在第一響應(yīng)階段中，發(fā)動機燃燒室殼體、尾噴管的外觀沒有表現(xiàn)出明顯變化，噴管的防潮堵蓋在燃?xì)飧邷刈饔孟聼龤?，并失去隔斷燃燒室?nèi)外氣體的功能。發(fā)動機在第一響應(yīng)階段狀態(tài)變化見圖5。

(a)防潮堵蓋未燃燒 (b)防潮堵蓋燃盡

在圖5(a)中，噴管的防潮堵蓋清晰可見，如圖中黑圈標(biāo)記區(qū)內(nèi)的白色斑點所示；在圖5(b)中，黑圈標(biāo)記區(qū)內(nèi)的白色斑點消失不見，這說明發(fā)動機的防潮堵蓋已燒毀，燃燒室與外界高溫環(huán)境通過尾管聯(lián)通。

2.2 發(fā)動機第一次響應(yīng)

發(fā)動機第一次響應(yīng)為發(fā)動機在快烤作用下發(fā)生自點火，裝藥開始燃燒。三視角的發(fā)動機點火過程圖6所示。其中，圖序號中1、2、3分別代表中間、右側(cè)、左側(cè)三個視角，a、b、c代表點火過程中的初期、發(fā)展和完成三個階段。由圖6可知，發(fā)動機點火過程的初期，噴管出口處可見一束明亮的黃色火焰，火焰的發(fā)展方向為噴管出口所指的方向；隨著點火過程的發(fā)展，噴管出口處的火焰區(qū)域逐漸增大；到點火完成的時刻，噴管尾焰已經(jīng)十分明顯，可確定一級裝藥的燃面已全部點燃。

(1-a) (1-b) (1-c)

(2-a) (2-b) (2-c)

(3-a) (3-b) (3-c)

2.3 發(fā)動機第二響應(yīng)階段

在發(fā)動機點火之后，一級裝藥的推進劑持續(xù)燃燒，狀態(tài)如圖7所示。由圖7可知，一級裝藥的燃燒強度很大，噴管尾焰的長度超過5 m。伴隨聲響，聲音強度高于發(fā)動機正常工作。一級裝藥的燃燒時間與發(fā)動機的高溫工作時間相近。一級裝藥燃燒時，燃燒室殼體、噴管等結(jié)構(gòu)完整、尚未失效。

在一級推進劑燃燒末期，鈦合金尾管殼體溫度上升而強度下降，噴管與尾管的螺紋連接處首先失效，噴管被高速氣流吹出，落點距離被試發(fā)動機80 m，噴管飛出瞬間如圖8(a)所示；隨后，在外部加熱和高速氣流的共同作用下，尾管襯層失效并被噴出，噴出瞬間如圖8(b)所示。

圖7 一級推進劑燃燒

(a)噴管飛出 (b)襯層飛出

在尾管襯層和噴管被噴出之后，氣流在噴喉處的壅塞狀態(tài)消失，燃燒室壓強快速下降。另外，一級裝藥燃燒完畢，二級裝藥開始燃燒，推進劑燃面減小，燃燒室壓強進一步下降。在低于設(shè)計狀態(tài)的壓強下，二級推進劑的實際燃速遠(yuǎn)小于設(shè)計燃速，推進劑的燃燒時間延長，使得裝藥燃燒時間遠(yuǎn)大于發(fā)動機設(shè)計工作時間。二級裝藥的尾焰狀態(tài)如圖9所示。

在發(fā)動機第二響應(yīng)階段中，推進劑燃燒的尾焰持續(xù)從噴管中排出，發(fā)動機產(chǎn)生推力。若發(fā)動機為自由狀態(tài)，發(fā)動機可能會運動甚至飛行，導(dǎo)致火情擴大或者帶來其他次生災(zāi)害。

2.4 發(fā)動機第二次響應(yīng)

發(fā)動機第二次響應(yīng)為二級裝藥燃燒中斷，發(fā)動機發(fā)生解體，過程如圖10所示。由圖10可知，在發(fā)動機解體過程初期，尾管出口處的尾焰消失，并噴出一團灰色煙霧；隨后冒出火團并迅速擴大，整個過程伴隨較大的聲響。

圖9 二級裝藥燃燒

圖10 發(fā)動機解體過程

試驗后，對發(fā)動機的殘骸進行了收集。發(fā)現(xiàn)燃燒室殼體掉入了油池之中，結(jié)構(gòu)完整無變形。兩塊驗證板無明顯痕跡。在油池周圍15～20 m的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了尾管內(nèi)襯殘骸、尾管后蓋及裝藥頭部補償墊，如圖11(a)所示；在20～80 m的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了尺寸為4～8 cm的裝藥碎塊和包覆層碎片，如圖11(a)所示；在80 m處發(fā)現(xiàn)了剩余的頭部裝藥，如圖11(b)所示。

(a)裝藥碎塊和包覆層碎片 (b)剩余的頭部裝藥

3 快烤響應(yīng)特性分析

3.1 被試發(fā)動機的快烤響應(yīng)特性分析

由試驗過程和結(jié)果的分析可知，被試發(fā)動機的快烤響應(yīng)特性為多次多階段響應(yīng)，具體包括：

(1)藥柱內(nèi)表面自點火現(xiàn)象；

(2)推進劑持續(xù)燃燒；

(3)發(fā)動機解體。

3.1.1 裝藥內(nèi)表面自點火機理分析

被試發(fā)動機在第一響應(yīng)階段經(jīng)歷了有無防潮堵蓋兩個狀態(tài)。在防潮堵蓋未燒毀之前，燃燒室內(nèi)部與外界高溫氣體隔離，裝藥受到的加熱量主要來自外界高溫氣體通過殼體由外向內(nèi)的熱傳導(dǎo)，藥柱外側(cè)的包覆層和外層推進劑首先被加熱。

在防潮堵蓋燒毀之后，藥柱外側(cè)的包覆層和外層推進劑持續(xù)被加熱，外界高溫環(huán)境通過尾管和燃燒室聯(lián)通。由于尾管通道狹長，燃燒室氣體和外界高溫氣體通過尾管形成的自然對流十分微弱，管內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)也十分微弱。因此，外界高溫氣體通過對流換熱和熱傳導(dǎo)對裝藥內(nèi)表面推進劑的加熱幾乎可以忽略不計。由于外界高溫氣體為航空煤油燃?xì)?，含有大量的C(s)、CO、CO2、H2O(g)等組分，具有較強的熱輻射特性。因此，外界高溫氣體主要通過輻射對裝藥內(nèi)表面推進劑進行加熱。在上述情況下，裝藥內(nèi)表面推進劑自點火機理有兩種可能：

(1)推進劑在達到自分解溫度后，開始產(chǎn)生可燃的自分解氣體，氣體積累到一定量之后，通過尾噴管排出，在噴管出口處被點燃并產(chǎn)生回火，進一步將裝藥內(nèi)表面推進劑點燃并持續(xù)燃燒。

(2)推進劑在達到自分解溫度后，開始分解并放熱，在自分解放熱和輻射加熱的雙重作用下，推進劑發(fā)生自點火并持續(xù)燃燒。

3.1.2 發(fā)動機解體機理分析

發(fā)動機剩余的頭部裝藥如圖12所示。由圖12可知，在剩余頭部裝藥側(cè)面的包覆層有明顯可見的灼燒痕跡，裝藥有大片撕裂痕跡。這是由于藥柱外側(cè)的包覆層和外層推進劑首先被加熱；隨著溫度的升高，包覆層內(nèi)側(cè)材料和外層推進劑開始自分解，產(chǎn)生氣體并放熱，在推進劑內(nèi)部及推進劑與包覆層之間形成小氣穴；隨著時間的推移，氣穴中積累的氣體增多，氣穴體積進一步增大；隨著推進劑溫度的進一步上升，氣穴附近的推進劑分解加劇，氣穴壓強快速上升，導(dǎo)致裝藥結(jié)構(gòu)破壞并點燃。

在裝藥結(jié)構(gòu)破壞之后，大面積的推進劑燃燒使得燃燒室頭部壓強快速上升，高壓將剩余裝藥由發(fā)動機頭部推向尾管，在尾管出口處產(chǎn)生圖10(a)和(b)所示的灰色煙霧團。隨后，瞬間的沖擊作用使得發(fā)動機后蓋被剪斷并飛出，剩余裝藥飛出，發(fā)動機解體。

由于固體火箭發(fā)動機的推進劑為自帶氧化劑的含能材料，在達到自分解溫度后，推進劑快速的分解產(chǎn)生氣體并釋放熱量，釋放的熱量又導(dǎo)致附近推進劑溫度進一步升高，自分解反應(yīng)加劇，形成正激勵反應(yīng)。因此，裝藥中的氣穴一旦形成，裝藥結(jié)構(gòu)將會迅速破壞。

圖12 裝藥頭部的響應(yīng)痕跡

3.2 自由裝填固體火箭發(fā)動機與貼壁澆注發(fā)動機快烤響應(yīng)特性對比分析

3.2.1 貼壁澆注發(fā)動機的快烤響應(yīng)特性

貼壁澆注發(fā)動機的典型結(jié)構(gòu)一般為殼體、襯層/絕熱層、裝藥緊密貼合在一起，中間沒有間隙。貼壁澆注發(fā)動機在快烤作用下的初始階段響應(yīng)機制如圖13所示[9-10]。

圖13 貼壁澆注發(fā)動機在快烤初始階段的響應(yīng)機制

首先，發(fā)動機的徑向溫度梯度迅速升高，在推進劑未被明顯加熱時，最靠近殼體的襯層/絕熱層材料已經(jīng)開始自分解；隨后，在自分解氣體和殼體受熱膨脹的雙重作用下，殼體和襯層局部脫粘，產(chǎn)生氣縫；隨著時間的推移，襯層/絕熱層繼續(xù)自分解，外層推進劑溫度升高，開始自分解。在發(fā)動機的后續(xù)快烤響應(yīng)中，可能有以下三種情況發(fā)生：

(1)殼體局部強度下降，在熱集中區(qū)首先發(fā)生破壞，外層推進劑暴露于高溫常壓環(huán)境中，局部點燃并由外向內(nèi)燃燒；

(2)裝藥結(jié)構(gòu)完整性發(fā)生破壞并點燃，藥柱外側(cè)、內(nèi)部推進劑同時燃燒，在殼體的約束下，產(chǎn)生爆燃及以上的響應(yīng)；

(3)襯層脫粘，外側(cè)裝藥點燃，由于氣縫中的氣體難以排出，在殼體的約束下，產(chǎn)生爆燃及以上響應(yīng)。

3.2.2 被試發(fā)動機與貼壁澆注發(fā)動機的快烤響應(yīng)特性對比分析

與貼壁澆注發(fā)動機相比，被試發(fā)動機的裝藥與殼體之間多了絕熱涂料和裝配間隙，在快烤初期，包覆層外側(cè)材料的自分解產(chǎn)物可直接排入裝配間隙，難以在殼體附近形成熱集中區(qū)，殼體很難局部破壞形成泄壓口。被試發(fā)動機在第二次響應(yīng)后，燃燒室殼體仍然結(jié)構(gòu)完整。被試發(fā)動機的裝藥內(nèi)表面推進劑快于外層推進劑做出響應(yīng)，裝藥燃面發(fā)生自點火并持續(xù)燃燒，尾焰持續(xù)從尾噴管排出，使得發(fā)動機產(chǎn)生推力。同時，推進劑的持續(xù)燃燒消耗掉了大部分推進劑，減弱了被試發(fā)動機第二次響應(yīng)的程度。

與貼壁澆注發(fā)動機快烤響應(yīng)機制相同的是被試發(fā)動機的包覆層和外層推進劑首先被加熱，發(fā)生自分解反應(yīng)，產(chǎn)生氣體并釋熱量，在藥柱內(nèi)部形成氣穴，這些氣穴是導(dǎo)致裝藥結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

4 結(jié)論

(1)被試發(fā)動機的試驗過程可分解為兩次響應(yīng)、三個階段。兩次響應(yīng)分別為發(fā)動機點火和發(fā)動機解體。三個階段分別為溫度建立階段、第一響應(yīng)階段和第二響應(yīng)階段。

(2)被試發(fā)動機第一響應(yīng)階段的時間為1 min 28 s，發(fā)動機第二響應(yīng)階段的時間為1 min 43 s，整體響應(yīng)時間為3 min 11 s。

(3)可確定外界高溫氣體對裝藥內(nèi)表面推進劑的輻射加熱作用是推進劑自點火的直接原因，更詳細(xì)的推進劑自點火機理需要進一步的深入研究。

(4)在快烤作用下，包覆層和外層推進劑發(fā)生自分解反應(yīng)，導(dǎo)致未燃燒的頭部裝藥發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞并點燃，使得發(fā)動機頭部壓力急升，最終導(dǎo)致發(fā)動機解體。

(5)與貼壁澆注發(fā)動機不同的是被試發(fā)動機具有殼體難以局部破壞形成泄壓口、裝藥內(nèi)表面推進劑快于外層推進劑做出響應(yīng)等快烤響應(yīng)特性；與貼壁澆注發(fā)動機相同的是由于被包覆層和外層推進劑發(fā)生自分解反應(yīng)而生成的小氣穴，是導(dǎo)致快烤過程中裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因。