自由装填大长径比火箭发动机装药试验研究

郑 伟，陈俊波，裴江峰，马 亮，王江宁，宋秀铎，耿超辉

(1.燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065;2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引 言

陆航用小口径空空弹/空地弹固体火箭发动机因受到武器平台结构的限制，往往采用加大长径比的方法提高总冲从而增加固体火箭发动机的射程[1]。自由装填式的装药结构显著提升了勤务处理的便利性，因此，自由装填大长径比火箭发动机在陆航武器平台上得到了大量的应用，如57mm航空火箭弹、70mm航空火箭弹、90mm航空火箭弹等。这些火箭弹所用装药的长径比大多在10以上，有的长径比甚至达到了15[2]。

影响装药结构完整性的因素有点火冲击、使用环境变化、内流场变化、装药力学性能等。对于尺寸较大的战略导弹发动机，发动机点火瞬间，药柱内外表面的压强变化可能造成药柱表面产生裂纹，影响装药结构完整[3-5]。对于战术导弹用小口径大长径比固体火箭发动机，由于使用条件恶劣，往往在工作过程中会发生结构失效引起燃烧室爆炸[6]，究其原因一般是因为装药结构上的设计缺陷导致药柱力学性能无法适应内流场的急剧变化，从而引起装药结构完整性的破坏。

目前，对于装药结构完整性的研究均强调装药在不同环境条件下的动态或静态的载荷分布[9]，所采用的数值模拟方法也是基于固体推进剂的黏弹性行为[8-9]。固体火箭发动机的工作过程，不仅涉及装药自身结构和应力应变行为的变化，还涉及到内流场急剧变化的动态过程。虽然针对大长径比固体火箭发动机装药结构完整性的模拟计算对推进剂的配方设计及装药的结构设计具有一定的指导作用，但是均没有涉及到装药的实际工作过程。因此，有必要开展大长径比发动机装药工作稳定性的影响因素研究。

为提高自由装填式大长径比火箭发动机工作的安全性，获得影响自由装填式大长径比火箭发动机装药结构完整性的因素，本实验以一种螺压改性双基推进剂装药为研究对象，直接采用试验发动机研究了包括初始通气参量()、挡药架厚度(d)、装药局部涂覆对装药结构完整性的影响，以期为大长径比发动机装药的设计提供参考。

1 实 验

1.1 样 品

推进剂选用含HMX的螺压改性双基推进剂(HMX质量分数40%)，理论比冲为2450N·s/kg，推进剂静态燃烧速度为13～15mm/s(20℃，10MPa)。推进剂装药外径为58.5～60.5mm，内径为17.8mm，长度为708mm。

1.2 实验方法及条件

依据GJB770B-2005方法705.2 推力台法测定推进剂装药的内弹道性能，获得装药工作的压强—时间曲线。点火药为2#小粒黑，质量12g；试验温度分别为20、50、60℃。所采用的发动机结构简图如图1所示，装药为单孔管状。

图1 试验发动机结构简图Fig.1 The structure schematic of test motor

1.3 推进剂抗压力学性能测试

依据GJB770B-2005方法415.1 压缩法测定推进剂抗压力学性能，试验温度分别为20、50和60℃。

2 结果与讨论

2.1 初始通气参量的影响

管状装药内外通气参量的变化速率决定了装药内外表面所受燃气压力差的大小[10]。因此，设计了两种不同的初始通气参量值，采用试验发动机进行了对比试验。

图2 20、50和60℃条件下，不同值时推进剂装药工作的压强—时间曲线Fig.2 The p—t curves of the propellant grains with different at 20,50 and 60℃

通过对比同一初始通气参量不同温度时装药的压强—时间曲线与碎药情况可知，随着装药工作温度的升高，装药的结构完整性被破坏，碎药现象逐渐严重。初始通气参量过大时，装药无法承受内外表面的压差，造成装药解体，产生的残药燃烧，导致工作曲线尾部压力升高。同时，高温条件下，推进剂力学性能的下降也是装药发生碎裂的原因之一。

不同温度下推进剂抗压力学性能的测试结果如表1所示。由表1可知，随着温度的升高，推进剂的力学性能显著降低，50℃与20℃的抗压力学性能相比，强度值下降了75%，60℃与20℃的抗压力学性能相比，强度值下降了85%。

由上述分析可知，对于自由装填式的大长径比装药，选取合适的值可以显著改善装药在高温工作条件下的工作稳定性。

表1 不同温度下推进剂的抗压性能

2.2 挡药架厚度的影响

考虑到挡药架可能影响到大长径比发动机装药的内流场，设计了厚度d分别为8mm和25mm的挡药架，其结构简图如图3所示。采用试验验证了不同厚度的挡药架对装药工作稳定性的影响。

图3 挡药架的结构简图Fig.3 The structure schematic of bracket

图4 不同厚度挡药架时推进剂装药的压强—时间曲线Fig.4 The curves of the grains with different thickness of bracket

由图4可知，采用厚度为25mm的挡药架时，发动机工作后期未出现压力升高的现象，试验后现场也未见到碎药；采用厚度为8mm的挡药架时，发动机工作结束的后期仍存在轻微的压力上升，且试验后现场有少量厚度约为2mm的碎药。同时，采用厚度为25mm的挡药架有利于降低点火压强峰，减少侵蚀燃烧现象的发生。

由此可知，采用厚度为25mm的挡药架比采用厚度为8mm的挡药架更有利于装药的稳定工作。分析认为可能的原因是采用厚度为8mm的挡药架时，装药末端离喷管出口距离较近，装药外侧面燃气在出口处流通不畅，瞬时内外压强的不平衡造成碎药的产生。

2.3 装药内孔涂覆的影响

理想情况下，装药的燃烧为平行层燃烧。如果限制内孔的燃烧，使燃烧从外表面开始，燃烧结束时所形成环状药的外径最小。外径较小的环状药具有更大的承压能力，有利于减少装药燃烧后期碎药的发生。同时，有经验表明，内孔涂覆有利于大长径比装药的工作稳定性[12]。所以采用试验发动机对比研究了内孔涂覆与否对装药工作的影响。内孔涂覆的溶液为硝基油漆布与丙酮按质量比1∶5进行配制。温度为20℃、值为225时，内孔涂覆与内孔不涂覆时的发动机曲线如图5所示。

图5 内孔涂覆与内孔不涂覆时不同挡药架厚度条件下推进剂装药的压强—时间曲线Fig.5 The p—t curves of the propellant grains with and without coated inner hole under different thickness of bracket

由图5(a)可知，内孔涂覆降低了点火压力峰，减小了装药的初始燃面，延长了装药的工作时间。且内孔涂覆与不涂覆的工作条件下，均没有发现发动机工作时有碎药产生。

图5(b)与图5(a)的试验结果类似，内孔涂覆降低了点火压力峰，改变了压强—时间曲线的形态。由于其采用了厚度为8mm的挡药架，装药内孔无论涂覆与否，两发装药试验后均产生了少量的碎药，且碎药的厚度相当，均为1.2～2mm。试验结果与上述2.2节中得出的结论相同。

由此可知，内孔是否涂覆对改善装药工作时的碎药情况没有作用。

3 结 论

(1)减小初始通气参量能显著提高装药的工作稳定性。对于长径比为12的推进剂装药，50℃时，初始通气参量从225减小至166，基本消除了碎药的产生；60℃时，初始通气参量从225减小至166，显著减小了碎药的产生。

(2)采用厚度为25mm的挡药架比采用厚度为8mm的挡药架更有利于减少装药工作时的碎药现象。

(3)内孔是否涂覆对改善装药工作时的碎药情况没有作用。